一萬次充放電週期後電容量保持91%！鈉電池穩定性大幅提高

近年來，鋰電池在儲能領域長時間穩居主導地位，幾乎為一切設備 —— 從智能手機到自動駕駛汽車提供動力。但這種電池卻有着致命缺陷，即易發生過熱乃至爆炸，並且鋰礦在開採過程中還會嚴重污染土壤、空氣、河流等。因此在過去的十年中，科學家們一直致力於研發出一種更安全更高效的動力選擇以替代鋰電池。

由於鈉元素儲量豐富、分佈廣泛，鈉離子電池逐漸被越來越多的科學家視作大型電能存儲系統的新興選擇。

但目前鈉電池研發卻遭遇一個棘手問題：鈉陰極（通過電池傳送電子的電極）在高壓下極其不穩定。而這一問題的關鍵就在於科學家們遲遲未能找到高性能的鈉陰極材料。

這一情況在近日出現了改觀。12 月 8 日，韓國成均館大學化學工程師 Ho Seok Park 及其團隊在《應用物理評論》雜誌上發表了一項概念驗證研究，表示通過模擬哺乳動物骨骼的特質，他們已找到一種鈉陰極生物解決方案，基於此設計的鈉電池的電容量在經過 10000 餘次充放電後，依然能夠維持在 91％的水平。

“我們相信大自然為解決技術問題提供了非常有前景的解決方案，” Park 表示， “因此，我們試圖找到可以解決這些動力學和穩定性侷限性的理想架構。”

該研究團隊解釋説，哺乳動物骨骼之所以能夠成為電池陰極的參照模型，很大程度上是因為它們具有的雙重質地：骨頭的外部大部分是由堅硬的鈣組成，而骨頭的內部（骨髓）則呈現海綿狀，多孔柔軟且富有彈性。

“海綿狀骨頭的表面積比緻密骨頭的表面積高十倍，” 研究團隊解釋説， “這創造了經典的軟硬複合效果，使骨骼不但可以在壓力下彎曲，同時還可在結構上支撐身體的負荷。”

而這樣的結構完整性正是當前鈉電池所缺乏的。研究人員選用一種名為 NVP 的多孔元素來模仿骨髓，並使用氧化石墨烯的緻密殼模仿骨骼的堅硬鈣外部，從而研發出了聚陰離子 Na3V2（PO4）3 還原氧化石墨烯複合材料（BINVP）陰極電池。

與其他陰極材料相比，聚陰離子化合物因具有更好的循環穩定性，更平坦的電壓分佈和更強的熱穩定性等特性而成為強陰極的候選材料。

在測試新陰極的穩定性時，該團隊驚喜地發現，運用該陰極的鈉離子電池達到了超高充電速率和超長循環壽命。首先是電池組能夠在短短 3.6 秒內達到超高的充電速率，其次在 1C 的充電速率下，BI-NVP 可以提供其理論容量的 97％，在 200C 的超高速率下也能夠保持電壓平穩。同時，它還顯示出了較長的循環壽命 —— 在 50C 下進行 10000 次循環後電容量保持率達到 91％。而鋰電池通常只能持續進行 400 到 1200 次充放電循環。

並且，具有 BI-NVP 陰極和 Na 金屬陽極的鈉離子電池組將可提供高達 350 W h kg-1 的最大比能、以及 154 kW kg-1 的最大比功率。研究人員對循環 BI-NVP 進行的原位和事後分析（包括拉曼光譜和 XRD 光譜，HRTEM 和 STEM-EELS）證實，其具備高度可逆的膨脹 - 收縮特性，可忽略的電極粉化和穩定的 NVPrGO 層界面。

儘管該設計取得了初步的成功，但研究人員強調，目前仍然處於概念驗證設計階段。為了取得長遠的成功，Park 表示，有必要對該設計進行大規模的綜合研究，以瞭解其在更多實際應用中的合理性，從而在助力鈉電池取代鋰電池方面發揮重要作用。