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英國研發(fā)新型鈉電池,有望成為鋰電池的廉價替代品

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:803次  |  2018年11月24日  

近日,一項由英國劍橋大學(xué)與伯明翰大學(xué)科學(xué)工作者共同研發(fā)的鈉電池展現(xiàn)出了高容量、高能量密度與快充電速度的特性,憑借著資源豐富、易獲取的優(yōu)勢,新型鈉電池有望成為鋰電池的廉價替代品。這項研究發(fā)表于著名學(xué)術(shù)期刊《美國化學(xué)會志》(JACS)。


廣泛應(yīng)用于筆記本電腦、手機(jī)以及混合動力和全電動汽車,鋰離子電池的應(yīng)用深入日常生活,然而其安全性能欠缺與原料昂貴的特點(diǎn)卻是其發(fā)展過程中的劣勢。


從全球范圍來看,鋰礦的資源分布不均,智利、阿根廷、澳大利亞等國為其主要生產(chǎn)國,鋰原料的價格也相對昂貴。隨著對低排放電動汽車的需求增加,找到更加廉價易得的替代品正是研究人員的一大重點(diǎn)。


金屬鈉是一種與金屬鋰有相似化學(xué)、物理性質(zhì)的材料,優(yōu)勢在于其在地球上豐富的儲量——大量的鈉以離子形式存在于海水中,對人類需求來說基本是用之不竭的。然而,鈉離子較鋰離子更重、更大,不適用于當(dāng)前的常規(guī)電池材料石墨等導(dǎo)電體中。若用鈉替代可充電電池中的鋰,則需要找到其他高容量的電極材料。據(jù)了解,鈉硫電池、鈉鎳電池等鈉離子電池均以其優(yōu)良性能獲得了人們的關(guān)注,但仍都在實(shí)驗(yàn)階段。


在這項實(shí)驗(yàn)中,來自劍橋大學(xué)的Lauren Marbella博士、伯明翰大學(xué)的Clare Grey教授及其研究組則是采用了計算化學(xué)方法,最終采用了磷作為電池材料。

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充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

通過在超級計算機(jī)上運(yùn)行量子力學(xué)模型,研究人員嘗試了多種高容量陽極材料,最終發(fā)現(xiàn)以鈉-磷為主體的鈉離子電池展現(xiàn)出了與鋰電池相當(dāng)?shù)男阅?。結(jié)合計算機(jī)模型,研究人員通過大量實(shí)驗(yàn)對含有不同成分的電極進(jìn)行了測試,最終確定了最佳表現(xiàn)下電極的成分。在同一重量下,這一電極的載流子容量是石墨的7倍,意味著鈉離子電池實(shí)現(xiàn)了高容量的特性。


為進(jìn)一步優(yōu)化這種新型高容量鈉離子電池,研究人員通過量子力學(xué)模型對鈉離子電池充放電的反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了深入計算。通過物質(zhì)交換、從頭開始隨機(jī)結(jié)構(gòu)搜索和遺傳算法建立的計算模型,研究人員比較確定了這些材料中磷在化學(xué)反應(yīng)中的形態(tài)變化,探明鈉-磷體系中,磷會在充電的中間階段形成螺旋狀。


研究人員表示,實(shí)驗(yàn)與理論相結(jié)合的方法為鈉離子電池的研究提供了分子水平的新思路。


根據(jù)這一結(jié)果,研究人員將繼續(xù)探究不同電極材料在鈉離子電池中的作用,而計算化學(xué)方法的應(yīng)用則為新型電池的合成提供了全新的思路。參與實(shí)驗(yàn)的Andrew Morris博士說:“這是計算材料科學(xué)的巨大勝利。在2016年我們就預(yù)測了磷作為電極的可能性,現(xiàn)在我們能夠與Clare Grey教授的團(tuán)隊一起,為實(shí)驗(yàn)提供建議,并學(xué)習(xí)如何進(jìn)行更好的預(yù)測。理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合是多么強(qiáng)大,令人十分驚訝?!?/p>

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