团队研发稳定高效无负极钠电池

说到电池，就能量密度和便利性而言，锂离子是我们拥有的最好的。华盛顿大学圣路易斯分校麦克凯尔维工程学院能源、环境与化学工程系助理教授彭白的实验室开发了一种稳定的钠离子电池，该电池效率高、制造成本低、由于消除了曾经必要的功能，因此比传统的锂离子电池小得多。

“我们发现最小值就是最大值，”白说。“没有阳极是最好的阳极。”

该研究于 2021 年 5 月 3 日发表在《高级科学》杂志上。

传统的锂离子电池由正极和负极组成，正极和负极都储存锂离子;隔板，以保持电极在两侧分开;和电解质——离子通过的液体。当锂从阳极流向阴极时，自由电子通过集电器离开到被供电的设备，而锂则通过隔膜到达阴极。

充电时，过程相反，锂从阴极通过隔板到达阳极。

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用钠代替锂并取消阳极的概念并不新鲜。

“我们使用了旧的化学反应，”白说。“但问题是，使用这种众所周知的化学方法，没有人证明这种无阳极电池具有合理的使用寿命。它们总是很快失效，或者容量非常低，或者需要对集电器进行特殊处理。”

无阳极电池往往是不稳定的，生长的树突——指状的生长会导致电池短路或简单地快速退化。这通常归因于所涉及的碱金属(在这种情况下为钠)的反应性。

在这个新设计的电池中，阳极侧仅使用了一层薄薄的铜箔作为集流体，即电池没有活性阳极材料。在无阳极电池中，离子不是流向阳极，它们一直坐在那里直到回到阴极为止，而是将离子转化为金属。首先，它们将自己镀在铜箔上，然后在返回阴极时溶解掉。

“在我们的发现中，没有树突，没有手指状结构，”该论文的第一作者、白实验室的博士生马炳元说。沉积物光滑，有金属光泽。“这种碱金属从未观察到这种生长模式。”

“观察”是关键。Bai 开发了一种独特的透明毛细管电池，提供了一种看待电池的新方法。传统上，当电池出现故障时，为了确定出了什么问题，研究人员可以打开它并查看一下。但这种事后观察的用处有限。

“电池的所有不稳定都在工作过程中积累，”白说。“真正重要的是动态过程中的不稳定性，而且没有方法可以表征这一点。” Bai 说，观察 Ma 的无阳极毛细管电池，“我们可以清楚地看到，如果你的电解质没有很好的质量控制，你会看到各种不稳定性，”包括枝晶的形成。

从本质上讲，这归结为电解液中的水含量。

碱金属与水发生反应，因此研究小组降低了水含量。“我们只是希望看到一场好的表演，”白说。观察电池的运行情况，研究人员很快就看到了闪亮、光滑的钠沉积物。正是材料的光滑度消除了可导致枝晶生长的形态不规则性。

“我们回去检查毛细管细胞，发现电解液的干燥过程需要更长的时间，”白说。每个人都在谈论电池中的水含量，但在之前的研究中，水量通常被归为一个需要注意的简单统计数据。

白和马意识到这实际上是关键。

“含水量必须低于百万分之十，”白说。意识到这一点后，马云不仅能够制造毛细管电池，还能够制造出性能与标准锂离子电池相似的工作电池，但由于没有阳极，因此占用的空间要小得多。

“检查你的手机。你的电动汽车。这些物品的成本的四分之一来自电池，”白说。钠电池使用比锂电池更常见的金属;它们具有与锂电池相同的能量密度;由于取消了阳极，它们比锂电池更小、更便宜。

“我们证明你可以使用最简单的设置来启用最好的电池，”白说。

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