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研究人员开发无负极钠离子电池 外形更小/成本更低

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58京牌 ,圣路易斯华盛顿大学(Washington University in St. Louis)的Peng Bai实验室开发出一种高效、稳定的无负极钠离子电池。Peng Bai为该校能源、环境和化学工程系的助理教授。与传统锂离子电池相比,这种电池要小得多,而且成本更低。

(图片来源:WUSTL)

传统的锂离子电池由正极和负极组成,二者都可以存储锂离子;两个电极之间有隔板;离子通过电解液移动。当锂离子从负极流向正极时,自由电子通过集流器流向需要供电的设备,而锂离子则通过隔板流向正极。这一充电过程是可逆的,锂离子也会从正极通过隔板到达负极。

用钠离子取代锂离子,并取消负极的概念并不新鲜。但研究人员表示,这种无负极电池总是很快就失效,或者容量非常低,或者需要对集流器进行特殊处理。由于枝晶生长,无负极电池往往很不稳定。以往,这被归咎于碱金属的反应性,在无负极电池中,也就是金属钠。

在新电池设计中,负极侧只用一层铜箔作为集流器,即电池中没有活性负极材料。钠离子不是流动到负极,而是被转化为金属,直到再返回正极。首先,它们将自己镀在铜箔上,等到需要回到正极时,它们又溶解了。研究人员Bingyuan Ma表示:“据我们观察,电池中没有形成枝晶。而且,钠离子沉积物平整,带有金属光泽。关于这种碱金属,我们从来没有观察到过这种生长模式。”

研究人员开发的是一种独特的透明微管电池,可以从新的视角观察电池。传统上,必须将电池打开,才能检测其中存在的问题。但是,这种后发式观察的作用有限。Bai表示:“电池的不稳定性都是在运行过程中累积形成的。真正重要的是,动态过程中的不稳定因素,但这是没有办法表征的。”通过观察透明无负极微管电池,“我们可以清楚地看到,如果不好好控制电解液,你会发现各种不稳定因素。”包括枝晶的形成。

从本质上来说,这要归结于电解液中有多少水。碱金属可以与水反应。研究团队尝试减少水含量。在观察电池的运行过程中,研究人员发现光滑的、有光泽的钠沉积物。正是材料的光滑性,消除了枝晶形成的可能性。Bai表示:“我们对微管电池进行检测,并发现电解液的干燥过程更长。大家都在谈论电池中的含水量,但在以前的研究中,人们通常认为,水的数量只是需要注意的一个统计数据。实际上,这是关键所在。

“含水量必须低于百万分之十。正是认识到这一点,才制造出了微管电池,而且是工作电池。从性能上看,这种电池类似于标准的锂离子电池,但是因为没有负极,所占用的空间要少得多。”

研究人员表示,中有四分之一的成本来自于电池。钠离子电池的能量密度与锂离子电池相当,但使用的是比锂更常见的金属,而且因为没有负极,比目前的锂离子电池更小,成本更低。

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