科學家利用270年前的物理效應提升鈉離子電池陰極性能

一種讓不銹鋼鍋在高溫下具有不粘鍋特性的物理效應，如今將為價格更親民的電池提供動力。

一個由印度、澳大利亞和英國多家研究機構的研究人員組成的合作團隊，利用一個已有270年歷史的物理學原理，在鈉離子電池的陰極內部構建了一條"原子高速公路"。這種方法有助于利用廉價且儲量豐富的鈉，來建設大規模的能源儲存基礎設施。

向清潔、綠色經濟的轉型，依賴于使用鋰離子電池來儲存太陽能和風能發電廠捕獲的可再生能源。這些電池對于從智能手機到電動汽車等設備的能量存儲也至關重要。

然而，鋰的提取難度大且不環保，這使得其大規模應用在經濟和環境上都代價高昂。另一方面，使用像鈉這樣儲量豐富的材料來制造電池，有助于降低成本，并且從長遠來看對環境更有利。但鈉離子體積較大，可能會堵塞陰極，導致其磨損。為了避免這種情況，科學家們一直在尋找合適的陰極材料。

構建原子高速公路

印度科學教育與研究學院博帕爾分校和印度理工學院甘地納加爾分校的研究人員，與澳大利亞南昆士蘭大學和英國斯旺西大學的同行合作，開發出了一種能夠實現鈉離子快速、反復移動而不損害其結構的陰極。

"我們決定構建正確的陰極基礎設施，一條'原子高速公路'，這樣鈉離子就能快速通過！"參與此項工作的印度科學教育與研究學院博帕爾分校博士生蘇巴吉特·辛哈解釋道。

研究人員使用一種名為Na?Fe?(PO?)?(P?O?)的鐵基磷酸鹽-焦磷酸鹽混合物，構建了這種陰極。這種材料自然形成穩定的三維隧道狀結構，有助于鈉離子的流動。

利用萊頓弗羅斯特效應

然而，研究人員知道，使用純鐵基材料作為陰極會導致導電性和能量傳輸方面的問題。為了克服這一點，研究人員在混合物中添加了銦。

僅用銦替換百分之一的鐵原子，就使研究人員能夠增大陰極材料的原子間距。這使得鈉離子更容易流動，從而提高了陰極的導電性。

但僅僅改進陰極材料的配方是不夠的。研究人員還需要改進他們的材料制造工藝。于是，他們利用了萊頓弗羅斯特效應。

270年前，德國醫生約翰·戈特洛布·萊頓弗羅斯特觀察到，水滴在過熱的金屬表面滑行，仿佛沒有摩擦力一樣。發生這種現象是因為水蒸氣在遠高于沸點的金屬表面形成了一個氣墊，使水能夠滑行。

這一現象使得不銹鋼鍋在高溫下變得不粘。但研究人員利用這一效應，將陰極材料噴射到金屬表面，觸發萊頓弗羅斯特效應急劇蒸發。

其結果是形成了熔合的多孔顆粒，這些顆粒被烘烤成粉末，像海綿顆粒一樣，能夠吸收電解液，使鈉離子的傳輸更順暢。

這幫助研究人員避免了使用熔爐，使制造過程更加環保，同時確保陰極的晶體結構在數千次循環后仍保持完整。相比之下，標準鋰離子電池的壽命為幾百次循環。

"優化后的陰極材料表現出約359瓦時/千克的高能量密度，以及卓越的耐用性，在超過10,000次充放電循環中性能穩定，"印度理工學院甘地納加爾分校副教授拉加萬·蘭加納坦在一份新聞稿中說。

該研究成果發表在《Small》期刊上。

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