中科院和代爾夫特理工大學開發(fā)新方法 預測鈉離子電池原子結構

時間:2020-11-17 09:00來源:蓋世汽車 作者:Elisha
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(圖片來源:tudelft)
 
       據(jù)外媒報道,中國科學院和代爾夫特理工大學(TU Delft)的研究人員開發(fā)出一種預測鈉離子電池原子結構的方法,這在世界上尚屬首次,將大大推進鈉離子電池研究。該類電池將成為僅次于鋰離子電池的重要技術。
 
       鋰離子電池具有高能量密度和優(yōu)異的性能,并廣泛應用于手機、筆記本電腦和電動汽車等應用。然而,商業(yè)上過于依賴一種電池也有不足之處,例如生產(chǎn)鋰離子電池時,必須使用鈷。但是,全球鈷資源有限,而且開采條件惡劣,對環(huán)境產(chǎn)生嚴重影響。德爾夫特大學的研究人員Marnix Wagemaker表示:“如果將來我們都轉(zhuǎn)向電動出行,我們也需要大量的鋰。”實際上鋰儲量也是有限的。
 
       研究人員相信鈉離子電池富有發(fā)展?jié)摿。理論上來說,鈉離子電池的性能不如鋰離子電池,但差距并不大。Wagemaker稱:“在實驗室規(guī)模上,鈉離子電池的能量密度只比鋰離子電池低20%到30%。對于可以經(jīng)常充電的車輛來說,鈉離子電池可能成為很好的替代品。”此外,鈉離子電池也適合固定應用,例如家里的電源墻或儲存風能和太陽能的電池公園。從原材料方面看,鈉離子電池可以避免使用鈷,提供更好、更便宜的正極。
 
       但是,鋰離子電池只使用有限數(shù)量的原材料和材料結構,而且最佳正極配方比較明確。對于鈉離子電池來說,情況并非如此。Wagemaker稱:“基于元素的精確組合,你最終會發(fā)現(xiàn)正極的原子結構存在細微的差別,這會對電池性能產(chǎn)生很大的影響。僅僅有幾個元素,結構上的可能性就這么多,即便是速度最快的超級計算機,也無法預測組合結果。因此,新材料的開發(fā)速度很慢。”
 
       中國科學院和代爾夫特的研究人員找到了一種方法,可以預測理想的正極配方。在原子層面上,正極看起來很像三明治:由幾層組成,中間有離子。Wagemaker說:“起初來看,似乎離子的大小決定了原子結構。我們很快發(fā)現(xiàn),這并不是唯一要素,起到關鍵作用的是離子的電荷分布。”
 
       這一發(fā)現(xiàn)具有重要意義。因為離子大小與其電荷之間的比率,即所謂的“離子勢”,已知具有預測價值。Wagemaker說:“幾十年來,地質(zhì)學領域一直通過這一關系,解釋為什么某些鐵氧化物比其他氧化物更易溶。”事實證明,這種關系在原子層面也有用。研究人員基于離子勢開發(fā)出簡單的配方。Wagemaker說:“我們可以根據(jù)這個配方,預測哪種原料選擇比例將得到哪種結構。該配方引導我們發(fā)現(xiàn)電極材料的各種可能性,以提供最佳性能。”
 
       研究人員還設計新材料以測試其配方。Wagemaker說:“我們嘗試制造能量密度最高、充電速度非?斓恼龢O,并獲得成功。就能量密度而言,我們已經(jīng)達到可能的上限。”
 
       這項研究集中在電池的正極部分。研究人員下一步將探討不同類型電池的電極和電解液等,并希望通過這項研究,加快開發(fā)下一代電池材料。
 
(責任編輯:子蕊)
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