近日，斯坦福大學鮑哲南教授和崔屹教授領(lǐng)銜的材料科學研究團隊，成功研發(fā)出了一種新型鈉離子電池陰極材料。這種新型的材料使用了全新的思路，大大提升了鈉離子電池的性能——其循環(huán)電池容量達到了 484mAh/g，陰極能量密度更是高達 726Wh/kg。相關(guān)研究成果以“High-performance sodium–organic battery by realizing four-sodium storage in disodium rhodizonate”為題發(fā)表在Nature Energy上，該工作的第一作者為斯坦福大學化學工程學院的Minah Lee博士后。
由于地球上鈉的儲量極為豐富，鈉離子電池陰極材料開采、生產(chǎn)成本僅為鋰離子電池的 1/100，從而將鈉離子電池的整體成本控制到鋰離子電池的 80% 左右。這一突破性的技術(shù)進展，讓人類在大規(guī)模能源儲存的道路上再一次邁出堅實的一步。
上世紀八十年代，鋰離子的陰極材料研究首先取得突破，以鈷酸鋰等材料為代表的陰極材料，和通常由石墨構(gòu)成的陽極材料組合，讓鋰離子電池獲得了極佳的性能，從而取代之前的鎳氫充電電池，走進了千家萬戶。而鈉離子電池的電極材料研究卻遠沒有這么順利。
實際上，如果離子電池要高效運行，必需要同時滿足以下兩個條件。但在之前的研究中，鈉離子電池的陰極材料要么能量密度高但循環(huán)壽命短，要么就是循環(huán)壽命長但能量密度低。
· 能量密度夠高，單位質(zhì)量的電池可以提供足夠多的電量；
· 循環(huán)壽命長，電量不會隨著充放電循環(huán)次數(shù)的增加明顯下降。
這一次，斯坦福大學的團隊跳出了之前使用過渡元素氧化物或聚陰離子作為陰極材料的思維框架，使用了一種全新的有機材料“肌醇”與鈉離子進行結(jié)合。鈉與肌醇可以結(jié)合為 Na2C6O6，這種化合物是一種非常理想的陰極材料，理論上可以一次攜帶 4 個鈉離子，因此電池可以有著極高的容量——501mAH/g。
鮑哲南教授團隊使用的新型鈉離子電池陰極材料，右圖中黃色為鈉離子，"鑲嵌"在紅色和灰色標識的肌醇中。一個 Na2C6O6 一次最多可以攜帶 4 個鈉離子，擁有極高的能量密度。
此次研究中，斯坦福團隊對 Na2C6O6 電池的機理進行了非常深入的探索。他們通過對原子層面的作用力進行細致的分析，成功揭示了這種材料實際電量低于理想電量的奧秘：原來，在鈉離子與電極結(jié)合和脫嵌的過程中，只有當材料經(jīng)歷可逆的相變化時，才有可能讓 4 個鈉離子都參與反應。而在之前的研究中，材料未經(jīng)特殊處理，只會經(jīng)歷不可逆的相變化，導致參與反應的鈉離子數(shù)量達不到 4 個，因此低于理想能量密度。
在搞清楚原理之后，他們通過減小活性粒子的體積、選擇合適的電解液，成功地將不可逆的過程轉(zhuǎn)化為可逆過程，從而讓 Na2C6O6電池的可循環(huán)電池容量提高到了接近于理論上限的 484mAH/g。而且，最大電池容量的下降速度也較原先顯著降低，陰極能量轉(zhuǎn)換效率更是達到了87%。
這是目前為止，鈉離子電池陰極材料研究領(lǐng)域取得的最佳成績，具有著重大的突破性意義。他們讓鈉離子電池第一次在實現(xiàn)了高能量密度的同時，基本實現(xiàn)了循環(huán)穩(wěn)定性的目標。又由于使用了廉價的鈉和肌醇，且能量密度顯著高于鋰電池，研究人員宣稱，這一電池的成本有望控制在同等電量鋰電池的 80% 不到，可謂是巨大的進步。
充電前（左）的 Na2C6O6 納米顆粒，在充分充電后可以結(jié)合大量的鈉離子（右）
然而，這只是一個初步的研究成果，離實際應用依然有一定的距離。
首先，鮑哲南教授團隊只是初步解決了陰極材料的循環(huán)壽命問題。在經(jīng)過 50 次循環(huán)之后，Na2C6O6電極的容量已經(jīng)下降了約 10%。雖然相比于之前的研究而言，這已經(jīng)是非常了不起的成績了，但離實際使用中數(shù)百次循環(huán)的要求還有一段距離。
其次，他們還尚未對可以產(chǎn)業(yè)化的陽極材料進行研究。對于鈉離子電池來說，陽極材料的研究同樣困難重重。盡管研究團隊信心十足，但由于鈉離子比鋰離子要大得多（直徑比鋰離子大了約 50%），所以無法被常用于制造鋰離子電池陽極材料的石墨吸收。到目前為止，還沒有效果足夠好、價格也低廉（比如石墨）的陽極材料被研究出來。而這也會是團隊未來的研究方向，Min ah Lee 介紹到，此次研究顯示，磷是一個很好的候選材料，但是大量生產(chǎn)仍有困難，所以他們也在努力探索如何以更簡單的方式處理這種材料。
