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中科院和代尔夫特理工大学开发新方法 预测钠离子电池原子结构

2020-12-02   点击量:29

据外媒报道,我国科学院和代尔夫特理工大学(TUDelft)的研究人员开发出一种预测钠离子电池原子结构的方法,这在世界上尚属首次,将大大推进钠离子电池研究。该类电池将成为仅次于锂离子电池的重要技术。


(图片来源:tudelft)


锂离子电池具有高能量密度和优异的性能,并广泛应用于手机、笔记本电脑和电动汽车等应用。然而,商业上过于依赖一种电池也有不足之处,例如生产锂离子电池时,必须使用钴。但是,全球钴资源有限,而且开采条件恶劣,对环境出现严重影响。德尔夫特大学的研究人员MarnixWagemaker表示:“假如将来我们都转向电动出行,我们也要大量的锂。”实际上锂储量也是有限的。


研究人员相信钠离子电池富有发展潜力。理论上来说,钠离子电池的性能不如锂离子电池,但差距并不大。Wagemaker称:“在实验室规模上,钠离子电池的能量密度只比锂离子电池低20%到30%。关于可以经常充电的车辆来说,钠离子电池可能成为很好的替代品。”此外,钠离子电池也适合固定应用,例如家里的电源墙或储存风能和太阳能的电池公园。从原材料方面看,钠离子电池可以防止使用钴,供应更好、更便宜的正极。


但是,锂离子电池只使用有限数量的原材料和材料结构,而且最佳正极配方比较明确。关于钠离子电池来说,情况并非如此。Wagemaker称:“基于元素的精确组合,你最终会发现正极的原子结构存在细微的差别,这会对电池性能出现很大的影响。仅仅有几个元素,结构上的可能性就这么多,即便是速度最快的超级计算机,也无法预测组合结果。因此,新材料的开发速度很慢。”


我国科学院和代尔夫特的研究人员找到了一种方法,可以预测理想的正极配方。在原子层面上,正极看起来很像三明治:由几层组成,中间有离子。Wagemaker说:“起初来看,似乎离子的大小决定了原子结构。我们很快发现,这并不是唯一要素,起到关键用途的是离子的电荷分布。”


这一发现具有重要意义。因为离子大小与其电荷之间的比率,即所谓的“离子势”,已知具有预测价值。Wagemaker说:“几十年来,地质学领域一直通过这一关系,解释为何某些铁氧化物比其他氧化物更易溶。”事实证明,这种关系在原子层面也有用。研究人员基于离子势开发出简单的配方。Wagemaker说:“我们可以根据这个配方,预测哪种原料选择比例将得到哪种结构。该配方引导我们发现电极材料的各种可能性,以供应最佳性能。”


研究人员还设计新材料以测试其配方。Wagemaker说:“我们尝试制造能量密度最高、充电速度非常快的正极,并获得成功。就能量密度而言,我们已经达到可能的上限。”


这项研究集中在电池的正极部分。研究人员下一步将探讨不同类型电池的电极和电解液等,并希望通过这项研究,加快开发下一代电池材料。


钜大特种电池工程研究院

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