鉅大LARGE | 點擊量：461次 | 2023年08月24日
歷史性突破：更高能量的鈉離子電池 成本比鋰電池至少低20%
2017年十月九日，一項具有重大突破意義的研究成果發表在了《自然·能源》期刊上。一支由著名華裔材料科學家鮑哲南和崔屹領銜的材料科學研究團隊，成功研發出了一種新型鈉離子電池陰極材料。該材料擁有極高的電池容量且循環壽命大幅新增，有望取代因礦產資源儲量有限而價格高昂的鋰電池。
圖|著名華裔材料科學家斯坦福大學教授鮑哲南（左）、崔屹（中）以及本次論文的第一作者、斯坦福大學博士后MinahLee（右）
這種新型的材料使用了全新的思路，大大提升了鈉離子電池的性能——其循環電池容量達到了484mAh/g，陰極能量密度更是高達726Wh/kg。
本次論文的第一作者、斯坦福大學博士后MinahLee也對DT君表示："我們的新型陰極由氧和鈉組成，具有和常規鋰陰極相當的能量密度，可以作為鈉離子電池取代鋰電池的可靠陰極。"
更加令人矚目的是，由于地球上鈉的儲量極為豐富，鈉離子電池陰極材料開采、生產成本僅為鋰電池的1/100，從而將鈉離子電池的整體成本控制到鋰電池的80%左右。這一突破性的技術進展，讓人類在大規模能源儲存的道路上再一次邁出堅實的一步。
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圖|隨著全球對鋰電池的需求不斷新增，鋰礦的開采供不應求，價格也水漲船高。隨著儲量的消耗，其價格可能進一步攀升
事實上，作為目前移動端最靠譜的電池，鋰電池以較高的能量密度和較徹底的充放電深度，統治了手機、電腦、電動汽車等絕大多數要充電電池的應用場景。而且，隨著鋰電池產量的提高，在規模經濟的用途下，其價格已經持續多年保持下降的勢頭，進一步鞏固了其相有關其它電池技術的競爭優勢。
有科學家甚至認為，在地球上的鋰礦全被開采完之前，將不會有其它電池取代鋰電池的江湖地位。
然而，"儲量耗盡"這個看似天方夜譚一般的情景，卻正成為很多業內人士真真切切的擔憂。在全球范圍內鋰電池的產量不斷沖向新高、鋰電池整體價格大幅下降的背景下，部分用于生產鋰電池電極的原材料價格卻反而大幅飆升。這是因為地球上可用于生產鋰電池所需陰極材料的礦產資源（鋰礦、鈷礦等）實際上一點都不豐富。
為了滿足現有的鋰電池產量需求，世界范圍內各個礦場的產量都已經被逼到了極限，再新增產量十分困難。更不用說，加速開采還會讓這些有限的礦產資源提前耗盡，從而進一步推高價格。因此，鋰電池面對著一個絕大多數的商品永遠都不會面對到的挑戰：隨著產量的提升，價格不僅無法持續下降，反而可能急劇升高。
為了解決這個問題，科學家們將目光投向了在元素周期表上緊挨著鋰元素、特性也和其十分相近的另一種元素——鈉。和鋰資源相比，地球上的鈉資源儲量簡直豐富到"不可能被耗盡"：從浩瀚的大海里，到每家每戶的餐桌上，到處都有氯化鈉——食鹽的身影。和鋰電池材料每噸高達15,000美元的價格相比，假如用鈉離子作為電極材料，其每噸成本將只有150美元，便宜足有100倍之多。
圖|和鋰相比，地球上的鈉資源實在是太豐富了。大海、鹽湖、鹽礦，鈉元素占據了地殼中超過2.7%的質量。因此，以鈉為材料的電池將遠比鋰電池便宜。
然而，雖然應用前景廣大，鈉離子電池的研究卻一直沒有取得決定性的突破。
事實上，鈉離子電池的研究曾和鋰電池同時起步。不同于其他要氧化還原反應的電池，這兩種電池屬于"搖椅電池"——要離子自己在陰陽極之間來回穿梭，以達到充放電的目的。換句話說，陰極和陽極起到的用途就是收集、儲存和釋放用以出現電流的離子。
圖|許多元素都被用于制造電池。綜合多種性能來看，鋰是目前最佳的選項。但鋰電池電極材料礦產資源儲量的匱乏，為其未來的發展埋下了隱憂
上世紀八十年代，鋰離子的陰極材料研究首先取得突破，以鈷酸鋰等材料為代表的陰極材料，和通常由石墨構成的陽極材料組合，讓鋰電池獲得了最佳的性能，從而取代之前的鎳氫充電電池，走進了千家萬戶。而鈉離子電池的電極材料研究卻遠沒有這么順利。
實際上，假如離子電池要高效運行，必要同時滿足以下兩個條件。但在之前的研究中，鈉離子電池的陰極材料要么能量密度高但循環壽命短，要么就是循環壽命長但能量密度低。
·能量密度夠高，單位質量的電池可以供應足夠多的電量；
·循環壽命長，電量不會隨著充放電循環次數的新增明顯下降。
這一次，斯坦福大學的團隊跳出了之前使用過渡元素氧化物或聚陰離子作為陰極材料的思維框架，使用了一種全新的有機材料"肌醇"和鈉離子進行結合。
你可能沒聽說過這個拗口的名字，但這種和葡萄糖結構非常相似的有機物廣泛存在于動植物中，是動物、微生物的生長因子，也是食物中的一種常見營養成分。作為一種工業界十分熟悉的有機物，肌醇工藝成熟、應用廣泛，而這有關控制鈉離子電池的成本來說至關重要。
鈉和肌醇可以結合為Na2C6O6，這種化合物是一種非常理想的陰極材料，理論上可以一次攜帶4個鈉離子，因此電池可以有著極高的容量——501mAH/g。
事實上，在鮑哲南團隊之前，也曾有人嘗試過使用Na2C6O6作為電極材料生產鈉離子電池。然而，理論上最高4個鈉離子的運送量在實際中其實很難達到，使得Na2C6O6電池的能量密度遠低于預期。
此外，只要經過一次充放電循環，第二次循環的能量密度會進一步急劇下降，根本無法滿足實際使用的需求。在實際使用場景中，電池應該在經過數百甚至上千次充放電循環后，依然保持較為充足的電量。
圖|鮑哲南團隊使用的新型鈉離子電池陰極材料，右圖中黃色為鈉離子，"鑲嵌"在紅色和灰色標識的肌醇中。一個Na2C6O6一次最多可以攜帶4個鈉離子，擁有極高的能量密度
MinahLee說："本次研究中最大的障礙在于，這種化合物在以前的研究中只能儲存少于兩個單位的鈉和電子，這不足以和鋰電池陰極的能量密度競爭。但在這里，我們通過了解和解決氧化還原反應過程中相變動力學限制，讓此化合物可以儲存四個鈉。"
此次研究中，斯坦福團隊對Na2C6O6電池的機理進行了非常深入的探索。他們通過對原子層面的用途力進行細致的分析，成功揭示了這種材料實際電量低于理想電量的奧秘：原來，在鈉離子和電極結合和脫嵌的過程中，只有當材料經歷可逆的相變化時，才有可能讓4個鈉離子都參和反應。而在之前的研究中，材料未經特殊處理，只會經歷不可逆的相變化，導致參和反應的鈉離子數量達不到4個，因此低于理想能量密度。
在搞清楚原理之后，他們通過減小活性粒子的體積、選擇合適的電解液，成功地將不可逆的過程轉化為可逆過程，從而讓Na2C6O6電池的可循環電池容量提高到了接近于理論上限的484mAH/g。而且，最大電池容量的下降速度也較原先顯著降低，陰極能量轉換效率更是達到了87%。
這是目前為止，鈉離子電池陰極材料研究領域取得的最佳成績，具有著重大的突破性意義。他們讓鈉離子電池第一次在實現了高能量密度的同時，基本實現了循環穩定性的目標。又由于使用了廉價的鈉和肌醇，且能量密度顯著高于鋰電池，研究人員宣稱，這一電池的成本有望控制在同等電量鋰電池的80%不到，可謂是巨大的進步。
圖|充電前（左）的Na2C6O6納米顆粒，在充分充電后可以結合大量的鈉離子（右）
然而，這只是一個初步的研究成果，離實際應用依然有一定的距離。
首先，鮑哲南團隊只是初步解決了陰極材料的循環壽命問題。在經過50次循環之后，Na2C6O6電極的容量已經下降了約10%。雖然相比于之前的研究而言，這已經是非常了不起的成績了，但離實際使用中數百次循環的要求還有一段距離。
其次，他們還尚未對可以產業化的陽極材料進行研究。有關鈉離子電池來說，陽極材料的研究同樣困難重重。盡管研究團隊信心十足，但由于鈉離子比鋰離子要大得多（直徑比鋰離子大了約50%），所以無法被常用于制造鋰電池陽極材料的石墨吸收。到目前為止，還沒有效果足夠好、價格也低廉（比如石墨）的陽極材料被研究出來。而這也會是團隊未來的研究方向，MinahLee介紹到，此次研究顯示，磷是一個很好的候選材料，但是大量生產仍有困難，所以他們也在努力探索如何以更簡單的方式處理這種材料。
有關團隊的下一步工作，MinahLee透露："目前，我們的全電池能量密度受到陽極的限制（較高的工作電位），因此我們正在努力制造更好的陽極。"
圖|成本低于鋰電池的鈉離子電池將有望用于儲存風電、太陽能等發出的不穩定的電力，從而讓其擺脫"棄風"、"棄光"的束縛。
總之，這是一個已經取得了重大突破、但離工業應用還比較遙遠的技術。不過，任何技術在最早期的時候都是十分稚嫩的。同樣是材料科學領域的創新，現在已經十分普及的硬盤，在最早取得技術突破、實現MB級別數據儲存的時候，其總重約1噸。
但正是這個和便攜沾不上一點邊的"巨獸"，奠定了如今容量動輒數個TB（1TB=1024GB）、卻只有口袋大小的移動硬盤的基礎。很有可能，現在看上去依然初級的Na2C6O6材料，正是未來大規模電網級別電力儲存技術具有奠基意義的先聲。
-End-
