鈉離子電池技術(shù)的新進(jìn)展可能最終為取代無(wú)處不在的鋰離子電池鋪平道路。最新的研究涵蓋了革命性的固體電解質(zhì)和陰極材料，這些材料將使鈉離子電池成為當前鋰離子電池的高密度、快速充電替代品。

鋰離子電池為地球上幾乎所有便攜式設備供電，從智能手表和無(wú)人機到智能手機和筆記本電腦。它們對于電動(dòng)汽車(chē)和儲能系統(從家庭備用系統到公用事業(yè)規模的蓄電池)的成功也至關(guān)重要。鋰離子電池是一項相當新的技術(shù)，經(jīng)過(guò)超過(guò)35年的研發(fā)，第一批電池于1991年上市。

多年來(lái)，這項技術(shù)已經(jīng)有了很大的進(jìn)步。鋰離子電池相對便宜、易于制造、能量密度高、生命周期長(cháng)。然而，根據化學(xué)性質(zhì)，它們可能是熱不穩定的。對于使用一兩個(gè)電池的小型電池來(lái)說(shuō)，這可能不是問(wèn)題，因為這些電池很容易冷卻。然而，當數百甚至數千個(gè)電池組安裝在電池組內時(shí)，它們需要良好的熱管理系統來(lái)防止過(guò)熱。當這種情況發(fā)生時(shí)，它們可能會(huì )起火，這一過(guò)程稱(chēng)為“熱失控”。

這就是為什么研究人員總是試圖尋找新的電解質(zhì)和化學(xué)物質(zhì)，以改善鋰離子電池不太好的領(lǐng)域。然而，鋰離子電池總是需要權衡，這意味著(zhù)在不破壞其他特性的情況下改進(jìn)某些東西是不可能的。例如，磷酸鐵鋰電池是鋰離子電池技術(shù)的最新熱潮，它比其他鋰離子化學(xué)電池更安全，壽命更長(cháng)。然而，它們的能量密度低得多，充電速度也較慢，尤其是在寒冷的情況下。

鋰離子電池還存在一個(gè)缺點(diǎn)，即大多數性能最高的電池都使用昂貴、難以找到或難以加工的關(guān)鍵原材料。這就是為什么LFP電池盡管有缺點(diǎn)但仍然如此受歡迎。這些電池使用鐵而不是鎳和鈷，這使得它們比鎳基電池更便宜、更環(huán)保。然而，研究人員認為有比磷酸鐵鋰更好的電池類(lèi)型，盡管它們還無(wú)法與鋰離子電池競爭。

人們主要致力于開(kāi)發(fā)固體電解質(zhì)而不是目前的液體電解質(zhì)。從理論上講，它們可以提供更高的能量密度，并且由于不易燃而更安全。然而，由于電池在充電和放電過(guò)程中會(huì )膨脹和收縮，它們會(huì )產(chǎn)生裂紋，從而使枝晶在電極之間生長(cháng)。樹(shù)突遲早會(huì )使電極短路，從而破壞細胞。這個(gè)問(wèn)題多年來(lái)一直困擾著(zhù)研究人員，這是商用固態(tài)電池的最后障礙之一。

其他研究團隊致力于尋找比目前鋰離子電池中使用的材料性能更好的新材料。盡管鋰看起來(lái)儲量豐富，但開(kāi)采和加工仍然具有挑戰性。另一方面，鈉隨處可見(jiàn)，而且價(jià)格便宜得多，同時(shí)與鋰具有許多相同的特性。這就是為什么鈉離子電池成為尋求用更好或至少更便宜的東西取代鋰離子電池的自然發(fā)展的原因。

鈉離子電池有很多優(yōu)點(diǎn)，但也許最重要的是它們可以使用與鋰電池相同的工業(yè)流程來(lái)制造。其他好處包括提高安全性以及能夠放電至零伏而不影響其完整性。主要缺點(diǎn)是能量密度較低(即使與性能最差的磷酸鐵鋰電池相比)以及充電時(shí)間較長(cháng)。

然而，最近的進(jìn)展有望消除這些問(wèn)題，并使鈉離子電池成為替代鋰離子電池的首選解決方案。上個(gè)月，大阪都立大學(xué)的研究人員宣布，他們開(kāi)發(fā)出了固態(tài)鈉電池中高電導率電解質(zhì)的大規模合成工藝。他們的大規模合成工藝生產(chǎn)出具有世界上報道的最高鈉離子電導率的固體硫化物電解質(zhì)。它還創(chuàng )造了具有高成型性的玻璃電解質(zhì)，使其能夠變形而不會(huì )產(chǎn)生裂紋。

新開(kāi)發(fā)的工藝可用于生產(chǎn)幾乎所有含鈉硫化物材料，包括固體電解質(zhì)和電極活性材料。大阪都立大學(xué)副教授A(yíng)tsushiSakuda認為，這將成為開(kāi)發(fā)未來(lái)全固態(tài)鈉電池材料的主流工藝。

大約在同一時(shí)間，德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院的一個(gè)團隊開(kāi)發(fā)出了一種突破性的固體電解質(zhì)，可以顯著(zhù)提高電池在室溫下的性能。這種電解質(zhì)被稱(chēng)為NYZS，因為它含有鈉(Na)、釔(Y)、鋯(Zr)和硅(Si)，可增強離子在室溫下的有效傳導，這對于實(shí)際儲能應用至關(guān)重要。NYZS電解質(zhì)具有高離子電導率和卓越的電化學(xué)穩定性，可承受超過(guò)10伏的電壓。

然而，韓國科學(xué)技術(shù)院(KAIST)的一個(gè)團隊可能有了更大的發(fā)現，將大大提高充電速度。KAIM團隊用超級電容器使用的材料替代了普通電池正極材料，創(chuàng )造了一種高能量、高輸出、能夠快速充電的混合鈉離子電池。

該混合系統通過(guò)將電池正極材料與電容器負極材料相結合，具有存儲容量高、充放電速度快的優(yōu)點(diǎn)。然而，最大的挑戰是改善電池正極相對較慢的儲能速度以及電容器負極材料較低的儲能容量。結果是鈉離子電池具有247Wh/kg的高能量密度和超快速充電能力，適合用于電動(dòng)汽車(chē)。

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