中科院和代爾夫特理工大學開發新方法 預測鈉離子電池原子結構
時間:2020-11-17 09:00來源:蓋世汽車 作者:Elisha
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（圖片來源：tudelft）
鋰離子電池具有高能量密度和優異的性能，并廣泛應用于手機、筆記本電腦和電動汽車等應用。然而，商業上過于依賴一種電池也有不足之處，例如生產鋰離子電池時，必須使用鈷。但是，全球鈷資源有限，而且開采條件惡劣，對環境產生嚴重影響。德爾夫特大學的研究人員Marnix Wagemaker表示：“如果將來我們都轉向電動出行，我們也需要大量的鋰。”實際上鋰儲量也是有限的。
研究人員相信鈉離子電池富有發展潛力。理論上來說，鈉離子電池的性能不如鋰離子電池，但差距并不大。Wagemaker稱：“在實驗室規模上，鈉離子電池的能量密度只比鋰離子電池低20%到30%。對于可以經常充電的車輛來說，鈉離子電池可能成為很好的替代品。”此外，鈉離子電池也適合固定應用，例如家里的電源墻或儲存風能和太陽能的電池公園。從原材料方面看，鈉離子電池可以避免使用鈷，提供更好、更便宜的正極。
但是，鋰離子電池只使用有限數量的原材料和材料結構，而且最佳正極配方比較明確。對于鈉離子電池來說，情況并非如此。Wagemaker稱：“基于元素的精確組合，你最終會發現正極的原子結構存在細微的差別，這會對電池性能產生很大的影響。僅僅有幾個元素，結構上的可能性就這么多，即便是速度最快的超級計算機，也無法預測組合結果。因此，新材料的開發速度很慢。”
中國科學院和代爾夫特的研究人員找到了一種方法，可以預測理想的正極配方。在原子層面上，正極看起來很像三明治：由幾層組成，中間有離子。Wagemaker說：“起初來看，似乎離子的大小決定了原子結構。我們很快發現，這并不是唯一要素，起到關鍵作用的是離子的電荷分布。”
這一發現具有重要意義。因為離子大小與其電荷之間的比率，即所謂的“離子勢”，已知具有預測價值。Wagemaker說：“幾十年來，地質學領域一直通過這一關系，解釋為什么某些鐵氧化物比其他氧化物更易溶。”事實證明，這種關系在原子層面也有用。研究人員基于離子勢開發出簡單的配方。Wagemaker說：“我們可以根據這個配方，預測哪種原料選擇比例將得到哪種結構。該配方引導我們發現電極材料的各種可能性，以提供最佳性能。”
研究人員還設計新材料以測試其配方。Wagemaker說：“我們嘗試制造能量密度最高、充電速度非常快的正極，并獲得成功。就能量密度而言，我們已經達到可能的上限。”
這項研究集中在電池的正極部分。研究人員下一步將探討不同類型電池的電極和電解液等，并希望通過這項研究，加快開發下一代電池材料。
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