全固態(tài)電池的時代要來了？將有效解決碳酸鹽堵塞

出品：科普中國

作者：石暢（物理化學(xué)博士）

監(jiān)制：中國科普博覽

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隨著電動汽車市場的迅速擴張和智能電網(wǎng)建設(shè)的不斷加速，儲能技術(shù)的重要性日益凸顯，已成為當(dāng)前全球科研和產(chǎn)業(yè)界最為關(guān)注的研究熱點之一。

儲能電池作為這一領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，其性能直接關(guān)系到電動汽車的續(xù)航里程、充電效率以及智能電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。因此，突破儲能電池的技術(shù)瓶頸成為目前推動電動汽車和智能電網(wǎng)發(fā)展的主要挑戰(zhàn)。

綠色出行

（圖片來源：veer圖庫）

2024年4月5日，科學(xué)家在《自然-通訊》（Nature Communications ）雜志上發(fā)表了一篇關(guān)于高能效全固態(tài)鈉-空氣電池的文章，有望通過固態(tài)電解質(zhì)激活電池中不可逆的碳酸鹽反應(yīng)，提高電池的性能。

研究成果發(fā)表于《自然-通訊》雜志

（圖片來源：《自然-通訊》雜志）

鈉-空氣電池是什么？

鈉-空氣電池是一種利用金屬鈉和空氣中氧氣的化學(xué)反應(yīng)來產(chǎn)生電能的裝置。與傳統(tǒng)的鋰離子電池相比，鈉-空氣電池具有諸多優(yōu)勢。

首先，鈉金屬在地球上的儲量極為豐富，成本較低。其次，鈉-空氣電池的能量密度高，能夠存儲更多的電能，滿足人們?nèi)找嬖鲩L的能源需求。此外，鈉-空氣電池還具有環(huán)保、安全等特點，符合未來能源發(fā)展的方向。

固態(tài)電池

（圖片來源：veer圖庫）

如何實現(xiàn)鈉-空氣電池性能提升？

在實際使用過程中，出于成本和便捷性考慮，鈉-空氣電池的正極通常采用空氣作為燃料。電池的正極參與反應(yīng)的是空氣中的氧氣。但是空氣中與氧氣共同存在的二氧化碳和水會在電池反應(yīng)過程中引起嚴重的不可逆反應(yīng)，例如形成碳酸鹽和氫氧化物，使電池的性能降低。

空氣中的氧氣、二氧化碳與水

（圖片來源：veer圖庫）

基于此，研究者制備了一種新型高效的鈉-空氣電池，通過在Na3Zr2Si2PO12 (Nasicon)固體電解質(zhì)中進行可逆碳酸鹽反應(yīng)，實現(xiàn)高電壓窗口、高能量密度和高能量效率。

研究者首先采用固相反應(yīng)法合成了Na3Zr2Si2PO12 (Nasicon)固態(tài)電解質(zhì)，然后以鎳為空氣電極、鈉為負極、Nasicon為固態(tài)電解質(zhì)組裝了鈉-空氣電池。

鈉-空氣電池的結(jié)構(gòu)

（a.鈉-空氣電池示意圖；b,c.正極微觀結(jié)構(gòu)；d.正極圖片；e.負極圖片）

（圖片來源：參考文獻1）

電化學(xué)測試結(jié)果表明，鈉-空氣電池的放電產(chǎn)物與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成的陰極電解質(zhì)可以激活碳酸鹽的可逆電化學(xué)反應(yīng)，促進動力學(xué)反應(yīng)過程。這得益于碳酸鹽反應(yīng)較小的充放電電位差（~0.4V）。此反應(yīng)過程使得該電池可以獲得更高的能量效率。

在70%相對濕度的測試條件下，鈉-空氣電池的電壓平臺能夠達到3.4V，高于其他金屬-空氣電池。能量密度、庫倫效率、能量效率是電池的重要參數(shù)。能量密度越大的電池儲存的電能越多。庫倫效率與電池在充放電過程中的性能衰減息息相關(guān)，庫倫效率越高的電池性能衰減越少，壽命越長。能量效率與電池電能釋放儲存的比值正相關(guān)，能量效率越高，電能的轉(zhuǎn)化效率越高。研究表明，該電池可以提供0.16mAh cm?2的能量密度，庫倫效率可以達到99%，平均能量效率為82.1%，表明該電池能夠儲存更多的電能，具有更長的使用壽命且能夠高效地實現(xiàn)電能的儲存和釋放。此外，碳酸鹽的可逆電化學(xué)反應(yīng)一旦經(jīng)過高相對濕度的條件激活之后，即使在低相對濕度的條件下依然能夠得到保持。

鈉-空氣電池的性能

（a-c.70%相對濕度，25℃條件下鈉-空氣電池的性能；d-f.40%相對濕度，25℃條件下鈉-空氣電池的性能；g.超氧化物金屬-氧氣電池與鈉-空氣電池的對比）

（圖片來源：參考文獻1）

本研究設(shè)計的鈉-空氣電池的優(yōu)勢在于：無需額外的裝置進行氣體的純化和儲存，簡化了電池的結(jié)構(gòu)，有助于提高金屬-空氣電池的能量密度；以地球儲量豐富的鈉為電池材料，可以進一步降低電池的成本。

金屬鈉

（圖片來源：veer圖庫）

結(jié)語

新能源汽車電池技術(shù)的突破無疑為環(huán)保事業(yè)注入了新的活力，同時也為廣大消費者帶來了全新的體驗。隨著科技的不斷進步和創(chuàng)新，我們有理由相信，新能源汽車將在性能、安全、智能化等方面實現(xiàn)更大的突破，為消費者提供更加便捷、舒適、綠色的出行方式。讓我們共同期待這一天的到來，共同見證新能源汽車產(chǎn)業(yè)的輝煌未來！

參考文獻：

1.Park, H., Kang, M., Lee, D. et al. Activating reversible carbonate reactions in Nasicon solid electrolyte-based Na-air battery via in-situ formed catholyte[J]. Nature Communications, 2024.

2.張三佩,溫兆銀.鈉-空氣電池研究評述[J].儲能科學(xué)與技術(shù), 2016.

3.Faktorovich-Simon E , Natan A , Peled E ,et al.Comparison of the Catalytic Activity of Carbon, Spinel-Based, and Carbide Materials in the Na-Air Battery[J].Frontiers in Materials, 2019.

4.Sahgong, Sun HyeSenthilkumar, S. T.Kim, et al.Rechargeable aqueous Na-air batteries: Highly improved voltage efficiency by use of catalysts[J].Electrochemistry communications, 2015.