鈉離子電池再獲進展,鈉粉末有助提升充放電穩定性

作者 | 發布日期 2018 年 09 月 25 日 8:00 | 分類 材料、設備 , 電池 follow us in feedly

現今人們相當依賴鋰離子電池,在電動車與電池儲能系統的帶動下,鋰電池與鋰礦的需求更是與日俱增,然而鋰原料終有用盡的一天,到時是否會發生能源浩劫?因此美國普渡大學轉向瞄準原料更加豐富、材料也較為便宜的鈉離子電池,近期更成功解決鈉離子電池在充放電離子「迷路」難題,進一步提升電池充放電穩定性與容量。



鈉在地殼蘊含量與成本方面都略勝鋰礦一籌,其中鈉地殼含量多達 2.6%,蘊含量排行第 6 多,相較之下鋰才 27 名,若以成本來說,鋰與鈉更是相差 100 倍,鋰每公噸約 15,000 美元,鈉則是 150 美元,顯然鈉在電池的贏面更大,但為何鈉離子電池至今仍無法達到商業化?

目前科學家已經可以控制鈉遇水燃燒反應,只是在邁向商業化的道路,鈉離子電池還有一大障礙待解決──在電池充放電途中鈉離子容易迷路。鈉離子電池運作方式跟鋰離子電池一樣,主要依靠鈉離子在陰極和陽極之間移動來運作,但鈉離子在充放電期間容易附著在陽極,而不會往陰極移動。

這種情形也被稱為固體電解質介面(solid-electrolyte interphase,SEI),離子會在石墨電極上形成千分之公釐厚的薄膜,可保護碳粒與酸性電解質發生有害反應,同時讓離子在電極跟電解質之間穿梭,普渡大學化學工程副教授 Vilas Pol 表示,出現 SEI 現象並非壞事,只是 SEI 薄膜太厚會消耗充電所需的鈉離子。

因此普渡大學提出一項解決方案,若把鈉製成粉末狀,就可以為 SEI 提供所需的鈉來保護碳粒,也不會消耗充放電所需的鈉離子。研究為了減少鈉與水氣的接觸,團隊在裝滿惰性氣體氬氣的手套箱進行實驗,並利用超聲波把塊狀鈉融化成像是葡萄牛奶般的液體,最後再將液體冷卻,並將他們懸浮於己烷溶液中、讓鈉顆粒在溶液中可均勻分布。

▲ 普渡大學研究發現,鈉雖然存有遇水爆炸的挑戰,但在電池中表現良好。圖為呈淡紫色的鈉溶液。

實驗結果也相當符合科學家的期待,在陽極或是陰極滴入幾滴鈉懸浮液(suspension)後,鈉離子電池充放電穩定性與電池容量皆有效提高。Pol 表示,只要略為修改電極加工製程就能提升電池性能,這也是幫助鈉離子電池邁向商業化的另一種方式。

雖然鈉離子的體積約為鋰離子的兩倍,重量或是能量密度或許無法比鋰離子電池相比,但該技術成本較低,有望大幅降低電網級電池儲能系統成本,各方研究機構皆引頸期盼鈉離子電池的發展,目前普渡大學新技術已提交臨時申請。

(本文由 EnergyTrend 授權轉載;首圖來源:普渡大學