模拟哺乳动物骨骼的钠电池​10000次充放电周期后电容量保持91%

 

近年来，锂电池在储能领域长时间稳居主导地位，几乎为一切设备 —— 从智能手机到自动驾驶汽车提供动力。但这种电池却有着致命缺陷，即易发生过热乃至爆炸，并且锂矿在开采过程中还会严重污染土壤、空气、河流等。因此在过去的十年中，科学家们一直致力于研发出一种更安全更高效的动力选择以替代锂电池。

由于钠元素储量丰富、分布广泛，钠离子电池逐渐被越来越多的科学家视作大型电能存储系统的新兴选择。

但目前钠电池研发却遭遇一个棘手问题：钠阴极（通过电池传送电子的电极）在高压下极其不稳定。而这一问题的关键就在于科学家们迟迟未能找到高性能的钠阴极材料。

这一情况在近日出现了改观。12 月 8 日，韩国成均馆大学化学工程师 Ho Seok Park 及其团队在《应用物理评论》杂志上发表了一项概念验证研究，表示通过模拟哺乳动物骨骼的特质，他们已找到一种钠阴极生物解决方案，基于此设计的钠电池的电容量在经过 10000 余次充放电后，依然能够维持在 91％的水平。

“我们相信大自然为解决技术问题提供了非常有前景的解决方案，” Park 表示， “因此，我们试图找到可以解决这些动力学和稳定性局限性的理想架构。”

该研究团队解释说，哺乳动物骨骼之所以能够成为电池阴极的参照模型，很大程度上是因为它们具有的双重质地：骨头的外部大部分是由坚硬的钙组成，而骨头的内部（骨髓）则呈现海绵状，多孔柔软且富有弹性。

“海绵状骨头的表面积比致密骨头的表面积高十倍，” 研究团队解释说， “这创造了经典的软硬复合效果，使骨骼不但可以在压力下弯曲，同时还可在结构上支撑身体的负荷。”

而这样的结构完整性正是当前钠电池所缺乏的。研究人员选用一种名为 NVP 的多孔元素来模仿骨髓，并使用氧化石墨烯的致密壳模仿骨骼的坚硬钙外部，从而研发出了聚阴离子 Na3V2（PO4）3 还原氧化石墨烯复合材料（BINVP）阴极电池。

与其他阴极材料相比，聚阴离子化合物因具有更好的循环稳定性，更平坦的电压分布和更强的热稳定性等特性而成为强阴极的候选材料。

在测试新阴极的稳定性时，该团队惊喜地发现，运用该阴极的钠离子电池达到了超高充电速率和超长循环寿命。首先是电池组能够在短短 3.6 秒内达到超高的充电速率，其次在 1C 的充电速率下，BI-NVP 可以提供其理论容量的 97％，在 200C 的超高速率下也能够保持电压平稳。同时，它还显示出了较长的循环寿命 —— 在 50C 下进行 10000 次循环后电容量保持率达到 91％。而锂电池通常只能持续进行 400 到 1200 次充放电循环。

并且，具有 BI-NVP 阴极和 Na 金属阳极的钠离子电池组将可提供高达 350 W h kg-1 的最大比能、以及 154 kW kg-1 的最大比功率。研究人员对循环 BI-NVP 进行的原位和事后分析（包括拉曼光谱和 XRD 光谱，HRTEM 和 STEM-EELS）证实，其具备高度可逆的膨胀 - 收缩特性，可忽略的电极粉化和稳定的 NVPrGO 层界面。

尽管该设计取得了初步的成功，但研究人员强调，目前仍然处于概念验证设计阶段。为了取得长远的成功，Park 表示，有必要对该设计进行大规模的综合研究，以了解其在更多实际应用中的合理性，从而在助力钠电池取代锂电池方面发挥重要作用。

原文标题：10000次充放电周期后电容量保持91%！模拟哺乳动物骨骼的钠电池稳定性大幅提高

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责任编辑：haq