| 钠硫电池

钠硫电池能否成为锂离子电池商业可行性替代品?

来源:科学探索X    时间:2022-01-14

德克萨斯大学奥斯汀分校(The University of Texas at Austin)的工程师发明了一种钠硫电池,解决了一直以来阻碍该技术成为锂离子电池商业可行性替代品的最大障碍之一。从智能手机到电动汽车,锂离子电池无处不在。

钠和硫是未来电池生产中具有吸引力的材料,因为它们比锂和钴等材料更便宜,而且更易获得,而锂和钴等材料也存在环境和人权问题。正因为如此,研究人员在过去20年里一直致力于使室温下的钠基电池可行。

“我把它称为梦想中的技术,因为钠和硫含量丰富,对环境无害,而且成本最低,”得克萨斯大学材料研究所主任、沃克机械工程系教授Arumugam Manthiram说。“随着电气化的扩大和对可再生能源存储需求的增加,成本和可承受性将是唯一的主导因素。”

在德克萨斯大学奥斯汀分校最近的两项钠电池进展中,研究人员调整了电解质的组成,这种液体有助于离子在阴极和阳极之间来回移动,以刺激电池的充放电。他们解决了钠电池中常见的问题,即在阳极上生长的针状结构,称为树突,会导致电池快速降解,短路,甚至起火或爆炸。

研究人员最近在《美国化学学会杂志》上发表了他们的发现。

在之前的钠硫电池电解质中,硫形成的中间化合物会溶解在液体电解质中,并在电池的两个电极之间迁移。这种动态,被称为穿梭,可以导致材料损失,组件退化和树突形成。

研究人员发明了一种能防止硫溶解的电解质,从而解决了穿梭和树突的问题。这使电池的寿命周期更长,在300次充放电循环以上表现出稳定的性能。

“当你在水中放很多糖,它就会变成糖浆。并不是所有的东西都能溶解掉,”曼提拉姆实验室的博士生阿姆鲁斯·巴尔加夫(Amruth Bhargav)说。“有些东西是一半联系,一半溶解的。在电池中,我们希望它处于半溶解状态。”

新型电池电解液的设计思路与此类似:用惰性的、不参与的溶剂稀释浓盐溶液,保持“半溶解”状态。研究人员发现,这种电解质防止了电极上不必要的反应,从而延长了电池的寿命。

在过去的一年中,锂的价格一路飙升,凸显了替代能源的需求。锂矿因其对环境的影响而受到批评,包括大量地下水的使用、土壤和水污染以及碳排放。相比之下,钠可以在海洋中获得,更便宜,更环保。

锂离子电池通常也使用钴,钴价格昂贵,主要在非洲刚果民主共和国开采,对人类健康和环境有重大影响。去年,Manthiram展示了一种无钴锂离子电池。

研究人员计划在他们的突破的基础上,用更大的电池测试它,看看它是否可以适用于技术,比如电动汽车和风能、太阳能等可再生资源的存储。

论文的其他作者还包括德克萨斯材料研究所博士后Jiarui He和Woochul Shin。

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