钠离子电池可能成为电动汽车的下一个热门话题

为什么钠离子电池可能成为电动汽车的下一个热门话题

每周过去，我们似乎都在不断获悉电动汽车电池化学领域的又一项突破。目前，储能行业的研究人员和开发人员正在努力探索新方法，使未来电动汽车电池更安全、更可靠、密度更高，从而提高电池的长期可行性、成本效益和可持续性。 锂离子电池目前是现代电动汽车领域的主流化学材料，一些汽车单次充电即可行驶300英里（约482公里）。

尽管 锂化学高效且使用寿命长达15年，但仍面临诸多挑战。稀土元素的来源仍然是一个棘手的问题，因为它牵涉到生态和人道主义问题。锂的来源和分销成本也非常高，这加剧了以可行的速度减少净零碳排放的难题。柏林的一个研究小组可能找到了一种方法，即利用一种创新的化学方法，以钠为原料，来缓解锂电池生产给行业带来的压力。

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了解钠在电池中的有效性

新的化学工艺大大提高了稳定性

柏林亥姆霍兹研究所的研究人员发现了一种可能改变钠离子电池未来的新型存储机制。该机制由钠离子和溶剂分子在阴极材料中的共嵌入组成，该过程可逆且快速，而非破坏性。采用这种方法可以实现高效的高倍率钠离子电池，并具有快速充电潜力。共嵌入是电池中的一种机制，离子和溶剂分子同时嵌入层状电极材料中。该过程可以通过改善动力学和功率密度来显著改善电池性能，但也可能导致电极性能下降。

传统上，锂离子电池和钠离子电池都依赖于插层。该过程涉及离子向电极结构中的迁移，而共插层则涉及离子与溶剂分子一起移动，而溶剂分子长期以来一直被认为不稳定，容易导致电池过早失效。由 Philipp Adelhelm 教授领导的 HZB 研究表明，溶剂共插层可以稳定和增强阴极性能，在提供高倍率性能的同时最大限度地降低容量损失，并为下一代钠离子电池提出全新的设计策略。

在压力条件下测试钠的过程

该团队专注于层状过渡金属硫化物作为潜在的阴极主体。自2022年以来，孙亚南博士进行了广泛的体积变化测量、同步辐射结构研究以及电极溶剂体系的电化学测试，以了解其中的作用机制。这项研究表明，虽然此前已证实甘醇二甲醚分子在石墨负极中的共插层是可逆的，但在HZB的发现之前，将这一概念应用于阴极一直是一个难以捉摸的过程。这一突破表明，阴极可以在保持容量的同时表现出异常快速的反应动力学，某些材料甚至接近超级电容器的行为。

孙博士解释说，阴极共插层过程与石墨中的共插层过程有着根本的不同，这凸显了该发现的新颖性，并凸显了围绕这一效应设计新型阴极化学的潜力。Adelhelm 强调，探索共插层作为一种有益机制存在风险，因为它与现有的电池科学相矛盾，但欧洲研究理事会通过 ERC 整合基金的支持使这项研究得以推进。

研究团队的下一步计划

保时捷电池回收试点项目保时捷

该团队在《自然材料》杂志上发表了研究成果，表明溶剂辅助离子迁移非但不会成为负担，反而可以为实现更快充放电速率的高效电池开辟一条道路。早期的HZB研究已经证明了钠与甘醇二甲醚分子在石墨阳极中可逆共嵌入，但在阴极上复制相同过程一直难以实现，直到本项目将重点放在层状过渡金属硫化物作为潜在主体材料上。

该团队与理论家古斯塔夫·阿瓦尔博士合作，还确定了可用于预测未来共插层行为的关键参数，这将指导下一代电极材料的研发。阿德尔赫尔姆强调，尽管追求这一想法违背了传统的电池知识，且风险巨大，但欧洲研究委员会（ERC）整合基金的资助使研究得以继续进行，并最终揭示出层状材料的广阔化学图景，这些材料可以调整用于传统储能之外的全新应用。他强调，该项目的成功取决于国际合作以及来自柏林亥姆霍兹中心、洪堡大学和原位电池分析联合研究小组的机构支持，这些支持使得在工作条件下实时研究电极过程成为可能。

展望未来，柏林电池实验室（HZB）的成立将为推进这一研究方向创造更多机会，并加速开发将低成本、丰富原材料与超快动力学相结合的钠离子电池。Adelhelm 和 Sun 指出，设计出能够稳定共嵌入的正极材料标志着钠离子研究的一个转折点，因为它将一个曾经被认为对电池寿命致命的过程重新定义为一种能够提供可 扩展储能解决方案所需的 快速充放电性能的机制。

将钠应用于电池的缺点

创新应用仍有缺陷

钠是一种成本低廉且储量丰富的电池替代品，但开发者必须面对一些缺点，这些缺点最终将限制其广泛应用。最值得关注的问题是钠的能量密度较低，因为钠离子比 锂离子更大更重。这降低了制造商将其紧密封装到电极结构中的难度，导致单位重量或体积的能量降低。考虑到电动汽车的重量已经远远超过其应有的水平，这是一个非常值得关注的问题。

对于智能手机等通用便携式电子设备来说，电池重量 越重，续航里程就越短，设计也就越不紧凑。另一个缺点是钠离子含量越大，电池组的整体循环寿命就越长。钠离子在反复充放电过程中，电极材料会承受更大的结构应变和体积膨胀，从而加速材料降解，缩短电池的整体寿命。电解质兼容性也带来了挑战，因为钠离子容易与常见的液体电解质形成不稳定的界面，导致固体电解质界面层性能较差，从而影响电池的效率和安全性。

热稳定性也引发了进一步的担忧，因为与锂离子电池相比，钠离子电池的工作温度窗口通常更窄， 在极热或极冷环境下性能下降的风险更高。此外，钠离子电池的正极材料选择也更加有限，经过验证的高性能化学材料也更少。这使得大规模商业化变得愈发困难。此外，制造基础设施仍然偏向锂离子电池，这种情况短期内不太可能改变。

扩大钠技术的规模需要新的生产线和供应链，这将在短期内增加成本和复杂性。制造商已在其当前的储能计划上投入了数十亿美元，因此我们不太可能看到不同于锂的创新技术投入使用。最终，虽然钠储量丰富，但其较低的能量密度使其不太适合对储能容量有严格要求的应用，例如航空或远程车辆，其作用主要局限于固定电网储能或低成本短距离设备。

HZB在该领域的其他值得注意的成就

技术人员在丰田电池回收厂对锂离子电池进行操作丰田

柏林亥姆霍兹研究所已成为欧洲领先的能源和材料研究中心之一，其项目远远超出了钠离子电池的范围，还涉及解决可再生能源整合、可持续能源存储和先进材料开发等挑战的领域。

该机构投入大量时间专注于光伏技术，研究人员在薄膜太阳能电池方面取得了突破，包括钙钛矿硅串联设计，该设计使效率水平接近商业可行性，同时降低了生产成本。HZB还拥有一个 先进的氢能研究项目。该研究所探索了光电化学水分解技术，旨在利用太阳能生产绿色氢能，并为提高燃料电池和电解器效率的催化剂开发做出了贡献。

事实证明，突破和协作努力对未来发展具有重要意义

该公司长期以来一直参与BESSY II的运营。BESSY II是位于柏林的一款强大的同步加速器光源，支持物理、化学和生物领域的材料科学研究，使世界各地的研究人员能够探索原子和分子尺度的结构。与大学和产业界的合作推动了热电、磁性材料和量子材料的进步，旨在找到更高效的能源转换和存储的实用途径。该研究所还投资开发了钴和镍等关键电池材料的可持续回收战略，以减少对资源密集型采矿的依赖，事实证明，这对该 地区蓬勃发展的电动汽车生产行业做出了重要贡献。