芝加哥大学研发全球首个无负极钠固态电池

芝加哥大学普里茨克分子工程学院的孟雪丽（Y. Shirley Meng）教授的能源存储与转换实验室（LESC）创造了世界上首个无负极钠固态电池。

通过该项研究，LESC让廉价、可快速充电且高容量的电池成为可能，可以广泛用于电动汽车和电网储能。LESC由芝加哥大学普立茲克分子工程学院与加州大学圣地亚哥分校Aiiso Yufeng Li 家族化学与纳米工程系合作建立。

“虽然以前有无数的钠、固态和无负极电池，但没有人能够成功地将这三种理念结合在一起，直到现在，”加州大学圣地亚哥分校的博士生格雷森·戴舍尔（Grayson Deysher）说，作为新论文的第一作者，他概述了团队的工作。

发表在《自然能源》上的论文展示了一种新的钠电池结构，可以稳定循环几百次。通过去除负极并使用廉价、丰富的钠代替锂，这种新型电池将更具成本效益和环保性。通过其创新的固态设计，电池还将安全且强大。这项工作不仅是科学上的进步，也是实现世界经济从化石燃料的转型过程中，填补电池缺口的关键一步。

“整个美国运行一小时，就需要1太瓦时的能量，”孟说，“为了实现经济脱碳的使命，我们需要几百太瓦时的电池。我们需要更多的电池，而且需要快速生产。”

可持续性与钠

通常用于电池的锂并不常见。锂在地壳中的含量约为百万分之二十，而钠的含量则为锂的1万倍。这种稀缺性，加上笔记本电脑、手机和电动汽车对锂离子电池需求的激增，使锂的价格飙升，使所需的电池更加遥不可及。

锂矿床也很集中。智利、阿根廷和玻利维亚的“锂三角”拥有世界75%以上的锂供应量，其他矿床则在澳大利亚、北卡罗来纳州和内华达州。这使得某些国家在应对气候变化所需的脱碳方面比其他国家受益更多。

“全球需要共同努力，来获取至关重要的材料，”孟说。

锂的提取也对环境有害，无论是用于分解矿石的工业酸，还是更常见的盐水提取，都需要将大量的水抽到地表进行干燥。而钠，通常存在于海水和苏打矿中，是一种本质上更环保的电池材料。LESC的研究也使它成为一种强大的材料。

创新架构

为了创造出具有锂电池能量密度的钠电池，团队需要发明一种新的钠电池架构。

传统电池有一个负极来存储电池充电时的离子。电池在使用时，离子从负极通过电解质流向正极（电流收集器），为设备和汽车供电。

无负极电池去除了负极，并将离子直接存储在正极的碱金属电化学沉积物上。这种方法可以实现更高的电池电压、更低的电池成本和更高的能量密度，但也带来了新的挑战。

“在任何无负极电池中，都需要在电解质和正极之间有良好的接触，”戴舍尔说，“这在使用液体电解质时通常非常容易，因为液体可以流到任何地方并湿润每个表面。固体电解质则不能这样做。”

然而，这些液体电解质会在电池活性材料逐渐消耗的同时，会形成固体电解质界面，从而降低电池的实用性。

流动的固体

团队采用了一种创新方法来解决这个问题。他们没有使用包围正极的电解质，而是创造了包围电解质的正极。

他们用铝粉创造了正极，这是一种可以像液体一样流动的固体。在电池组装过程中，铝粉在高压下被压实形成固体正极，同时保持液体般的电解质接触，从而实现推动这一变革性技术所需的低成本和高效循环。

“钠固态电池通常被视为遥远的未来技术，但我们希望这篇论文能够展示它确实能很好地工作，甚至在某些情况下比锂电池更好，从而激发更多对钠领域的推动。”戴舍尔说。

电池创新的最终目标是什么？孟设想一个有多种清洁、廉价电池选择的能源未来，这些电池能够存储可再生能源，规模适应社会需求。孟和戴舍尔已通过加州大学圣地亚哥分校的创新与商业化办公室为他们的工作申请了专利。