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  近日，斯坦福大學(xué)鮑哲南教授和崔屹教授領(lǐng)銜的材料科學(xué)研究團(tuán)隊(duì)，成功研發(fā)出了一種新型鈉離子電池陰極材料。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(huán)電池容量達(dá)到了 484mAh/g，陰極能量密度更是高達(dá) 726Wh/kg。相關(guān)研究成果以“High-performance sodium–organic battery by realizing four-sodium storage in disodium rhodizonate”為題發(fā)表在Nature Energy上，該工作的第一作者為斯坦福大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院的Minah Lee博士后。

  由于地球上鈉的儲(chǔ)量極為豐富，鈉離子電池陰極材料開(kāi)采、生產(chǎn)成本僅為鋰離子電池的 1/100，從而將鈉離子電池的整體成本控制到鋰離子電池的 80% 左右。這一突破性的技術(shù)進(jìn)展，讓人類在大規(guī)模能源儲(chǔ)存的道路上再一次邁出堅(jiān)實(shí)的一步。

  上世紀(jì)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(gòu)成的陽(yáng)極材料組合，讓鋰離子電池獲得了極佳的性能，從而取代之前的鎳氫充電電池，走進(jìn)了千家萬(wàn)戶。而鈉離子電池的電極材料研究卻遠(yuǎn)沒(méi)有這么順利。

  實(shí)際上，如果離子電池要高效運(yùn)行，必需要同時(shí)滿足以下兩個(gè)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(huán)壽命短，要么就是循環(huán)壽命長(zhǎng)但能量密度低。

· 能量密度夠高，單位質(zhì)量的電池可以提供足夠多的電量；

· 循環(huán)壽命長(zhǎng)，電量不會(huì)隨著充放電循環(huán)次數(shù)的增加明顯下降。

  這一次，斯坦福大學(xué)的團(tuán)隊(duì)跳出了之前使用過(guò)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(jī)材料“肌醇”與鈉離子進(jìn)行結(jié)合。鈉與肌醇可以結(jié)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(gè)鈉離子，因此電池可以有著極高的容量——501mAH/g。

鮑哲南教授團(tuán)隊(duì)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(biāo)識(shí)的肌醇中。一個(gè) Na2C6O6 一次最多可以攜帶 4 個(gè)鈉離子，擁有極高的能量密度。

  此次研究中，斯坦福團(tuán)隊(duì)對(duì) Na2C6O6 電池的機(jī)理進(jìn)行了非常深入的探索。他們通過(guò)對(duì)原子層面的作用力進(jìn)行細(xì)致的分析，成功揭示了這種材料實(shí)際電量低于理想電量的奧秘：原來(lái)，在鈉離子與電極結(jié)合和脫嵌的過(guò)程中，只有當(dāng)材料經(jīng)歷可逆的相變化時(shí)，才有可能讓 4 個(gè)鈉離子都參與反應(yīng)。而在之前的研究中，材料未經(jīng)特殊處理，只會(huì)經(jīng)歷不可逆的相變化，導(dǎo)致參與反應(yīng)的鈉離子數(shù)量達(dá)不到 4 個(gè)，因此低于理想能量密度。

  在搞清楚原理之后，他們通過(guò)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(guò)程轉(zhuǎn)化為可逆過(guò)程，從而讓 Na2C6O6電池的可循環(huán)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(zhuǎn)換效率更是達(dá)到了87%。

  這是目前為止，鈉離子電池陰極材料研究領(lǐng)域取得的最佳成績(jī)，具有著重大的突破性意義。他們讓鈉離子電池第一次在實(shí)現(xiàn)了高能量密度的同時(shí)，基本實(shí)現(xiàn)了循環(huán)穩(wěn)定性的目標(biāo)。又由于使用了廉價(jià)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(jìn)步。

充電前（左）的 Na2C6O6 納米顆粒，在充分充電后可以結(jié)合大量的鈉離子（右）

  然而，這只是一個(gè)初步的研究成果，離實(shí)際應(yīng)用依然有一定的距離。

  首先，鮑哲南教授團(tuán)隊(duì)只是初步解決了陰極材料的循環(huán)壽命問(wèn)題。在經(jīng)過(guò) 50 次循環(huán)之后，Na2C6O6電極的容量已經(jīng)下降了約 10%。雖然相比于之前的研究而言，這已經(jīng)是非常了不起的成績(jī)了，但離實(shí)際使用中數(shù)百次循環(huán)的要求還有一段距離。

  其次，他們還尚未對(duì)可以產(chǎn)業(yè)化的陽(yáng)極材料進(jìn)行研究。對(duì)于鈉離子電池來(lái)說(shuō)，陽(yáng)極材料的研究同樣困難重重。盡管研究團(tuán)隊(duì)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(wú)法被常用于制造鋰離子電池陽(yáng)極材料的石墨吸收。到目前為止，還沒(méi)有效果足夠好、價(jià)格也低廉（比如石墨）的陽(yáng)極材料被研究出來(lái)。而這也會(huì)是團(tuán)隊(duì)未來(lái)的研究方向，Min ah Lee 介紹到，此次研究顯示，磷是一個(gè)很好的候選材料，但是大量生產(chǎn)仍有困難，所以他們也在努力探索如何以更簡(jiǎn)單的方式處理這種材料。

  論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41560-017-0014-y#Abs1