科学家们为钠电池设计新的阴极_河南省科技咨询业协会

科学家们为钠电池设计新的阴极

责任编辑:河南省科技咨询业协会 2017-10-11

by 布鲁克海文国家实验室

科学家们设计了一种新型的阴极,可以使大量的钠金属电池(以下简称纳电池)的生产变得更加可行。充足和低成本的钠电池引起了科学家和相关工业的极大兴趣,因为它可以为电网规模的储能系统、消费电子产品和电动汽车提供更节省成本的生产过程。这一发现是中国科学院化学研究所(CAS)和美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室的研究人员进行的一项合作研究的成果。

锂电池普遍存在于智能手机和笔记本电脑等消费电子产品中,但近年来,电动汽车行业也开始使用锂电池,大大增加了对现有锂金属资源的需求。

就在去年,因为中国的电动汽车市场开始蓬勃发展,碳酸锂的价格已经上涨了两倍。布鲁克海文实验室化学部的物理学家、布鲁克海文研究中心的首席研究员肖庆阳说。

此外,新电网的开发,包括风能和太阳能等可再生能源,也推动了新型电池化学的需求。因为这些能源并不总是可使用完的,所以需要大量的能量储存系统来储存剩余的光能及风能。

科学家们一直在寻找新的电池化学材料,使用比锂更容易获得的材料。研究人员认为,钠是最理想的选择之一,因为它几乎无处不在,对人类的毒性也比锂小得多。

但是,在传统的电池设计中,钠金属会带来很大的挑战。例如,一个典型的电池阴极是由金属和氧离子组成的,当它暴露在空气中,钠电池的阴极中的金属可以被氧化,降低电池的性能,甚至使其完全失去活性。

中科院国际奥委会和江西师范大学的研究人员试图通过在阴极中替换不同类型的金属来解决这一问题,并增加了这些金属之间的空间。然后,研究人员在布鲁克海文的国家同步加速器II (nsl-II,一个能源部的科学用户机构)中使用内壳光谱法(ISS)束线,将未替换与替换金属的电池材料进行了结构比较。

我们用束线的方法来确定阴极材料中的金属如何改变氧化态,以及它与电池结构的效率和寿命的关系,” 国际空间站的物理学家Eli Stavitski 说。

ISS 束线法是国际空间站第一次操作的射线光谱束线。在这里,研究人员将一束超亮的射线穿过材料,观察光线是如何被吸收或重新发射的。这些观察使研

究人员能够研究不同材料的结构,包括它们的化学和电子状态。

国际空间站的ISS 束线法是专门为高速实验设计的,它允许研究人员测量电荷放电过程中电池的实时变化。根据他们在束线上所做的观察,布鲁克海文研究小组发现,在钠电池中的替代金属的氧化现象被抑制,这表明新设计的钠电池暴露在空气中是稳定的。这是未来大规模生产钠电池的重要一步。

研究人员说,这是首例使用国际空间站的“ISS 束线法来推进电池研究的项目。

这项研究也支持了中国的研究机构,其中包括中国的国家重点研发项目。布鲁克海文国家实验室的工作是由美国能源部的能源效率和可再生能源办公室,车辆技术办公室先进电池材料来支持的。美国能源部科学办公室在NSLS-II 也支持了该项工作。