研究人员破解了电动汽车和电网储能用钠离子电池的关键问题
锂离子电池长期以来一直是电动汽车的首选电源，占据市场主导地位。它们也越来越多地被考虑用于储存可再生能源以供电网使用。然而，随着这个市场的快速扩张，预计未来五到十年内锂供应将出现短缺。美国能源部阿贡国家实验室化学家徐桂良表示：“由于钠的储量更为丰富且成本较低，钠离子电池正成为锂离子电池的一种引人注目的替代品。”
迄今为止，此类电池的商业化还面临严重障碍，特别是含钠正极的性能会随着反复放电和充电而迅速下降。
阿贡国家实验室的一个研究小组通过一种新型的钠离子氧化物阴极设计，在解决这一问题方面取得了重大进展。该设计与阿贡国家实验室早期的锂离子氧化物阴极设计非常相似，经证实具有高储能容量和长寿命。这项研究发表在《自然纳米技术》杂志上。
这两种设计的一个关键特征是微观阴极颗粒含有过渡金属混合物，可能包括镍、钴、铁或锰。重要的是，这些金属在单个阴极颗粒中的分布并不均匀。例如，镍出现在核心处；围绕核心的是钴和锰，它们形成一个外壳。
这些元素的作用不同。富含锰的表面使粒子在充放电循环过程中具有结构稳定性。富含镍的核心提供了高容量的储能能力。
然而，在测试这种设计时，阴极的能量存储容量在循环过程中稳步下降。问题归因于循环过程中粒子中裂纹的形成。这些裂纹是由于粒子壳和核之间产生的应变而形成的。该团队试图通过微调阴极制备方法来消除循环前产生的应变。
用于启动合成过程的前体材料是氢氧化物。除了氧和氢之外，它还含有三种金属：镍、钴和锰。该团队制作了这种氢氧化物的两种版本：一种是金属从核心到外壳呈梯度分布，另一种是三种金属均匀分布在每个颗粒中，以供比较。
为了形成最终产品，该团队将前体材料和氢氧化钠的混合物加热至 600°C，并在此温度下维持一段时间，然后冷却至室温。他们还尝试了不同的加热速率。
在整个处理过程中，研究小组监测了粒子特性的结构变化。这项分析涉及使用美国能源部科学办公室的两个用户设施：阿贡的先进光子源（光束线 17-BM 和 11-ID）和美国能源部布鲁克海文国家实验室的国家同步加速器光源 II（光束线 18-ID）。
阿贡光束线科学家徐文倩说：“利用这些设施的 X 射线束，我们可以确定真实合成条件下粒子组成和结构的实时变化。”
该团队还利用阿贡国家实验室的纳米材料中心 (CNM) 进行额外分析，以表征粒子，并利用阿贡国家实验室领导计算设施 (ALCF) 的 Polaris 超级计算机将 X 射线数据重建为详细的 3D 图像。CNM 和 ALCF 也是美国能源部科学办公室的用户设施。
初步结果显示，均匀颗粒中没有出现裂纹，但梯度颗粒在低至 250°C 的温度下出现了裂纹。这些裂纹出现在核心和核壳边界，然后移动到表面。显然，金属梯度引起了显著的应变，导致了这些裂纹。
阿贡国家实验室博士后研究员左文华表示：“由于我们知道梯度粒子可以产生具有高能量存储能力的阴极，我们希望找到能够消除梯度粒子中裂纹的热处理条件。”
事实证明，加热速度是一个关键因素。加热速度为每分钟 5 度时会形成裂纹，而加热速度为每分钟 1 度时则不会。在小型电池中进行的测试中，以较慢的速度制备的阴极颗粒在 400 次循环中保持了高性能。
“在阴极合成过程中防止出现裂纹，对以后阴极充电和放电大有裨益，”徐桂良说。“尽管钠离子电池的能量密度还不足以为车辆提供长距离动力，但它们是城市驾驶的理想选择。”
目前，该团队正致力于从阴极中去除镍，这将进一步降低成本并更具可持续性。
阿贡杰出研究员 Khalil Amine 表示：“未来钠离子电池的前景非常光明，不仅成本低、寿命长，而且能量密度可与目前许多锂离子电池中的磷酸铁锂阴极相媲美。这将带来更具可持续性、续航里程长的电动汽车。”
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