钠离子电池新合成阴极材料的过渡电子显微镜图像（左图）。

上图显示当循环时，层状阴极结构中产生的应变和应力（右图）。

 

能源部研究人员在创造更好、更便宜的商业用储能装置方面取得了进展。

美国能源部(DoE)的研究人员有了一项重要发现，他们称这种发现可以提高一种化学电池的性能，这种化学电池有望取代电动汽车的锂离子电池。

能源部阿贡国家实验室研究团队发现了钠离子电池在多次充放电循环后性能受限的一个关键因素。研究人员表示，这一发现为这类型的电池的新设计铺平了道路，这类电池既可用于电动汽车，也可用于其他商业用途。

由于几点原因，钠离子电池在未来是代替锂离子电池的最佳选择。钠是天然丰富的物质材料，而且对环境的影响要小得多，而且比锂的来源更便宜。此外，研究人员说，当在高电压(4.5伏)下循环时，钠离子电池在任何给定的重量或体积下都具有很高的能量存储容量。

研究人员表示，团队发现在钠离子电池阴极材料的制备过程中，原子结构存在缺陷。而这些缺陷最终会导致阴极发生类似于结构地震的情况，在电池循环阶段中进而出现性能的灾难性下降。

研究人员表示，目前通过技术有助于电池研发人员调整合成条件，为电池制造优越的钠离子阴极，从而提高电池性能。

阿贡杰出研究人员Khalil Amine在新闻声明中表示：“我们的见解对于大规模生产改良的钠离子阴极至关重要。由于涉及的材料很多，比如1000公斤，温度会有很大的变化，除非采取适当的措施，否则会导致许多缺陷的形成。”

探索材料的合成

研究人员在阿贡纳米材料中心（CNM）和先进光子源（APS）从事研究工作，他们在这里合成阴极材料，从而实时可以追踪其原子结构的变化。

在这一过程中，材料的制造者需要在空气中缓慢地将阴极混合物加热到非常高的温度，保持一定的时间，然后迅速将温度降至室温。

研究人员在分析中发现，在迅速降温期间，阴极粒子表面变得不太光滑，并显示出大面积应变。数据还显示，在阴极循环过程中，这些区域会发生拔河效应，导致阴极粒子开裂，性能下降。

研究人员表示，更多的研究发现，当阴极在高温时，或130华摄氏度，或当电池快充状态下（如，1小时快充vs 10小时充电），都会导致电池性能下降。

研究团队在《Nature Communications》杂志中发表论文。

阿贡化学科学与工程部助理化学师Guiliang Xu参与了这项研究，他说，研究人员计划将这项工作与早期的研究(改进钠离子电池阳极)结合起来，使未来设备的性能提高20%到40%。

Guiliang Xu说：“另外，电池将在高压下长期循环时保持这种性能也是非常重要的。”这可以使价格更合适的电动汽车拥有更长的行驶里程，还能降低电网储能成本。

中国化学与物理电源行业协会  杨柳翻译

2022.5.23