取之不盡的海鹽打造成電池!鈉離子有望改變現行鋰離子電池的遊戲規則

作者 | 發布日期 2020 年 06 月 02 日 13:33 | 分類 材料、設備 , 電力儲存 , 電池 Telegram share ! follow us in feedly


華盛頓州立大學(Washington State University,WSU)和太平洋西北國家實驗室(Pacific Northwest National Laboratory,PNNL)的研究人員創建了一種鈉離子(Sodium-Ion)電池,儲能表現與運行效率和一些商用鋰離子(Lithium-Ion)電池的化學性能相當,這使得今後透過豐富廉價的材料開發有潛在商用可行性的電池技術成為可能。

鈉離子電池充電 1 千次,仍保持 80% 以上電池容量

團隊發表了迄今鈉離子電池的最佳效能結果,能提供與某些鋰離子電池相當的容量並成功充電,即使充電超過 1 千次,仍能保持 80% 以上電量。由華盛頓州立大學機械與材料工程學院教授林月河(Lin Yuehe)和 PNNL 實驗室資深研究員李曉林(Xiaolin Li)領銜主導的研究論文發表在《美國化學學會能源研究快報》(ACS Energy Letters)。

「這是鈉離子電池的重大發展,」支持 PNNL 實驗室研究的美國能源部(Department of Energy,DOE)轄下電力傳輸與能源可靠度辦公室(Office of Electricity Delivery and Energy Reliability)能源儲存總監 Imre Gyuk 博士指出:「在許多應用,人們對鈉離子取代鋰離子電池的潛力非常感興趣。」

如今鋰離子電池無處不在,廣泛應用在手機、筆電和電動汽車等,但是由鈷、鋰等稀有且昂貴的材料製成,這些材料大多取自美國以外地區。隨著人們對電動車和電力儲存需求增加,這些材料將更難取得,且也可能成本更貴。再者,鋰電池對滿足電網日益成長的巨大儲能需求也有問題。

另一方面,鈉離子電池是由地球海洋或地殼廉價、豐富且可持續取得的鈉製成,因此可當作大規模能源儲存的理想選擇。不幸的是,儲能表現不如鋰電池。 換言之,難以透過充電達到所需有效儲能。關鍵問題全出在原被人們視為充滿發展前景的陰極(Cathode)材料,這是因為陰極表面會形成一層非活性且會阻止納離子流動的鈉晶體,結果就是電池怎麼充也充不飽。

透過分層式金屬氧化物陰極,改善交互作用與電池循環壽命

「關鍵挑戰在於電池得具備更高的能量密度和更好的循環壽命(Cycle Life),」論文第一作者 WSU 大學博士研究生,現於勞倫斯柏克萊國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory,LBNL)工作的 Junhua Song 表示。

研究工作的一部分是,研究團隊製作一個分層式金屬氧化物陰極,以及包含額外鈉離子的電解液,進而創造出能與陰極間有更好交互作用的「更鹹的湯」。陰極設計和電解質系統讓鈉離子得以持續運動,並防止非活性表面晶體形成,進而不受阻礙的發電。

「我們的研究揭示了陰極結構演變乃至與電解液交互作用的陰極表面至關重要的關聯性,」林月河表示:「這是迄今所有『具分層陰極的鈉離子電池』相關發表研究的最佳結果,表明這是可與鋰離子電池媲美的可行技術。」

如今研究人員致力於更進一步研究並了解電解液與陰極之間的重要交互作用,如此一來就可採用不同材料改進電池設計。團隊還想設計出一種不需用到鈷的電池,畢竟鈷是另一種相對昂貴且稀有的金屬。

「這項工作為開發實用的鈉離子電池奠立了厚實的基礎,而我們獲得關於陰極─電解液交互作用的基本見解,也讓我們清楚看到如何在鈉離子電池及其他類型電池化學物質,開發未來無鈷或低鈷陰極材料的可行方法。」Junhua Song 表示:「如果我們真能找到鋰和鈷的可替代物,那麼鈉離子電池就能與鋰離子電池一爭高下了。屆時,將會改變整個電池界的遊戲規則。」

(首圖來源:WSU