德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员创造了一种新的钠基电池材料，该材料高度稳定，能够像传统锂离子电池一样快速充电，并且能够为比当前电池技术提供更多能量铺平道路。
大约十年来，科学家和工程师一直在开发钠电池，用更便宜、更环保的钠替代当前锂离子电池中使用的锂和钴。不幸的是，在早期的钠电池中，称为阳极的组件会倾向于生长称为枝晶的针状细丝，这会导致电池短路，甚至着火或爆炸。
在德克萨斯大学奥斯汀分校最近取得的两项钠电池进展中的一项中，这种新材料解决了枝晶问题，并且充电速度与锂离子电池一样快。该团队在《先进材料》杂志上发表了他们的研究结果。
“我们基本上是同时解决两个问题，”设计这种新材料的科克雷尔工程学院沃克机械工程系和应用研究实验室教授大卫米特林说。“通常，充电速度越快，这些枝晶生长的越多。因此，如果抑制枝晶生长，则可以更快地充电和放电，因为突然之间它是安全的。”
化学系和奥登计算工程与科学研究所教授格雷姆·汉克尔曼 (Graeme Henkelman) 使用计算机模型从理论角度解释了为什么材料具有它所具有的独特性质。
“这种材料也很令人兴奋，因为理论上钠金属阳极的能量密度是所有钠阳极中最高的，”Henkelman 说。
对用于家庭的固定式储能系统以及平滑电网上风能和太阳能的潮起潮落的需求正在上升。与此同时，锂矿开采因其环境影响而受到批评，包括大量使用地下水、土壤和水污染以及碳排放。锂离子电池通常也使用钴，钴价格昂贵，主要在刚果民主共和国开采，对人类健康和环境有重大影响。相比之下，钠矿开采更便宜，更环保。
米特林看好这一想法，即这项新的创新和来自 UT Austin 的其他创新，包括一种新的固体电解质，可以提高储能，这意味着钠电池可能很快就能满足对固定储能不断增长的需求。
当给可充电电池充电时，离子(如锂或钠)从一个称为阴极的组件移动到另一个称为阳极的组件。当电池用于发电时，离子从阳极移回阴极。
这种名为碲化锑钠金属间化合物 - 钠金属复合物 (NST-Na) 的新型负极材料是通过将金属钠薄片滚到碲化锑粉末上，将其折叠起来并重复多次而制成的。
“考虑制作一种分层糕点，如西班牙面饼，”米特林说。
这个过程导致钠原子的分布非常均匀，与现有的钠金属阳极相比，它不太可能形成枝晶或表面腐蚀。这使得电池更稳定并允许更快的充电，与锂离子电池的充电率相当。它还具有比现有钠离子电池更高的能量容量。
Henkelman 说，如果在钠电池中携带电荷的钠原子彼此之间的结合力比与阳极的结合力更强，它们往往会形成不稳定性，或者钠团块会吸引更多的钠原子并最终导致枝晶。他使用计算机模拟来揭示当单个钠原子与新的复合材料 NST-Na 相互作用时会发生什么。
“在我们的计算中，这种复合材料与钠的结合比钠与自身的结合强一点，这是使钠原子下降并均匀分布在表面并防止形成这些不稳定性的理想情况，”Henkelman 说。
该研究的两位主要作者 Yixian Wang 和 Hui Dong——分别是米特林实验室的现任和前任研究生——制造了这种材料。由约翰瓦特领导的洛斯阿拉莫斯国家实验室的同事描述了它的特性。该研究的其他作者是 UT Austin 的 Hongchang Hao、Pengcheng Liu 和 Naman Katyal。
Mitlin、Wang 和 Dong 与 UT Austin 一起申请了关于新型钠金属负极材料的制造、结构和功能的专利。
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