实验室研制出全球首个无阳极钠固态电池

芝加哥大学普利兹克分子工程系Y.ShirleyMeng教授的能源存储和转换实验室发明了世界上第一个无阳极钠固态电池。

通过这项研究，LESC(芝加哥大学普利兹克分子工程学院和加州大学圣地亚哥分校AiisoYufengLi家族化学和纳米工程系的合作项目)使用于电动汽车和电网存储的廉价、快速充电、高容量电池的现实比以往任何时候都更接近现实。

加州大学圣地亚哥分校博士候选人格雷森·戴舍尔(GraysonDeysher)是该团队研究成果的新论文的第一作者，他说：“尽管之前已经有了钠电池、固态电池和无阳极电池，但到目前为止还没有人能够成功地将这三种想法结合起来。”

这篇论文今天发表在《自然能源》杂志上，展示了一种新型钠电池结构，可稳定循环数百次。通过移除阳极并使用廉价、丰富的钠代替锂，这种新型电池的生产成本更低，且更环保。通过其创新的固态设计，该电池也将安全且功能强大。

这项工作既是科学的进步，也是填补世界经济摆脱化石燃料所需的电池扩展空白的必要步骤。

“为了让美国运转一小时，我们必须生产一太瓦时的能源，”孟说。“为了实现经济脱碳的使命，我们需要几百太瓦时的电池。我们需要更多的电池，而且需要尽快生产。”

可持续性和钠

电池常用的锂并不常见。锂在地壳中的含量约为百万分之二十，而钠的含量则为百万分之二十万。

这种稀缺性，加上笔记本电脑、手机和电动汽车对锂离子电池的需求激增，导致价格飞涨，使所需的电池越来越难以承受。

锂矿也十分集中。智利、阿根廷和玻利维亚的“锂三角”拥有全球75%以上的锂储量，其他矿藏位于澳大利亚、北卡罗来纳州和内华达州。这使得一些国家在应对气候变化所需的脱碳方面比其他国家更有利。

孟宏伟表示：“全球行动需要共同努力，获取至关重要的材料。”

锂的提取也会对环境造成破坏，无论是用来分解矿石的工业酸，还是更常见的将大量水泵到地面干燥的盐水提取。

钠在海水和苏打灰矿中很常见，是一种本质上更环保的电池材料。LESC的研究也使它成为一种强大的材料。

创新架构

为了制造出具有锂电池能量密度的钠电池，该团队需要发明一种新的钠电池结构。

传统电池有一个阳极，用于在电池充电时存储离子。使用电池时，离子从阳极通过电解质流向集电器(阴极)，沿途为设备和汽车供电。

无阳极电池去除阳极，将离子直接存储在集电器上的碱金属电化学沉积物中。这种方法可以提高电池电压、降低电池成本并增加能量密度，但也带来了自身的挑战。

“在任何无阳极电池中，电解质和集电器之间都需要有良好的接触，”Deysher说。“使用液体电解质时，这通常非常容易，因为液体可以流动到各处并润湿每个表面。固体电解质无法做到这一点。”

然而，这些液体电解质会在逐渐消耗活性材料的同时，形成一种称为固体电解质中间相的堆积物，从而随着时间的推移降低电池的使用寿命。

流动的固体

该团队采取了一种新颖的创新方法来解决此问题。他们没有使用包围集电器的电解质，而是创建了包围电解质的集电器。

他们用铝粉(一种可以像液体一样流动的固体)制作出了集电器。

在电池组装循环过程中，粉末在高压下被致密化以形成固体集电器，同时保持与电解质的液体接触，从而实现低成本和高效循环，从而推动这项改变游戏规则的技术向前发展。

Deysher表示：“钠固态电池通常被视为一种遥远的未来技术，但我们希望这篇论文能够证明钠固态电池确实能够发挥良好作用，在某些情况下甚至比锂电池更好，从而激发人们对钠固态电池领域的更多推动。”

最终目标是什么?孟宏伟设想未来的能源将有各种清洁、廉价的电池选择，用于储存可再生能源，并根据社会需求进行调整。

孟和戴舍尔已通过加州大学圣地亚哥分校创新和商业化办公室为他们的工作提交了专利申请。

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