美国得克萨斯大学奥斯汀分校的科学家开发了一种新的用于可充电电池的钠金属阳极(左)，这种阳极可以阻止枝晶的形成，这是标准钠金属阳极(右)的常见问题，会导致短路和起火。用扫描电子显微镜拍摄图像。学分:王义贤/德克萨斯大学奥斯汀分校。德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员创造了一种新的钠基电池材料，这种材料非常稳定，能够像传统的锂离子电池一样快速充电，并且能够为提供比当前电池技术更多的能量铺平道路。大约十年来，科学家和工程师一直在开发钠电池，用更便宜、更环保的钠代替目前锂离子电池中使用的锂和钴。不幸的是，在早期的钠电池中，一种叫做阳极的成分倾向于生长针状细丝，称为枝晶，这可能导致电池短路，甚至着火或爆炸。
在UT Austin最近的两项钠电池进展中，这种新材料解决了枝晶问题，充电速度与锂离子电池一样快。该团队在《先进材料》杂志上发表了他们的研究结果。
“我们本质上是同时解决两个问题，”设计新材料的科克雷尔工程学院沃克机械工程和应用研究实验室教授大卫·米特林说。“通常，你充电的速度越快，你生长的树突就越多。因此，如果你抑制枝晶生长，你可以更快地充电和放电，因为突然之间就安全了。”
格雷姆·亨凯尔曼是化学系和奥登计算工程与科学研究所的教授，他用计算机模型从理论角度解释了为什么这种材料具有它所具有的独特性质。
“这种材料也令人兴奋，因为钠金属阳极理论上具有所有钠阳极中最高的能量密度，”Henkelman说。
人们对家用固定式储能系统以及消除电网上风能和太阳能的涨落的需求正在上升。与此同时，锂矿开采因其环境影响而受到批评，包括大量使用地下水、土壤和水污染以及碳排放。锂离子电池通常也使用钴，钴价格昂贵，主要在刚果民主共和国开采，对人类健康和环境有重大影响。相比之下，钠开采更便宜，也更环保。
米特林看好这一想法，认为这项新的创新和UT Austin的其他创新，包括一种促进能量存储的新型固体电解质，将意味着钠电池可能很快能够满足对固定式能量存储日益增长的需求。
当可充电电池充电时，离子(如锂或钠)从一种叫做阴极的成分移动到另一种叫做阳极的成分。当电池被用来发电时，离子从阳极回到阴极。
这种新的阳极材料被称为碲化锑钠金属间化合物-钠金属复合材料(NST-Na)，它是通过将一片薄的钠金属卷到碲化锑粉末上，将其折叠起来，并重复多次制成的。
米特林说:“考虑做一种分层糕点，比如spanakopita。
这一过程导致钠原子分布非常均匀，与现有的钠金属阳极相比，不太可能形成枝晶或表面腐蚀。这使得电池更加稳定，充电速度更快，与锂离子电池的充电速度相当。它也比现有的钠离子电池具有更高的能量容量。
Henkelman说，如果钠电池中携带电荷的钠原子之间的结合比它们与阳极的结合更强，它们往往会形成不稳定性，或钠团，吸引更多的钠原子，最终导致枝晶。他用计算机模拟揭示了当单个钠原子与新的复合材料NST-Na相互作用时会发生什么。
“在我们的计算中，这种复合物与钠的结合比钠与自身的结合稍微强一点，这是钠原子下降并均匀分布在表面并防止这些不稳定性形成的理想情况，”Henkelman说。
该研究的两位主要作者王逸贤和惠东——分别是米特林实验室的现任和前任研究生——伪造了这些材料。约翰·瓦特领导的洛斯阿拉莫斯国家实验室的科勒·古尔斯描述了它的特性。这项研究的其他作者是UT Austin的洪昌浩、刘鹏程和纳曼·卡蒂亚尔。
Mitlin、王和董与UT Austin一起申请了一项关于新型钠金属阳极材料的制造、结构和功能的专利。
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