研究人员破解了用于电动汽车和电网储能的钠离子电池的关键问题

锂离子电池作为电动汽车的首选电源长期以来一直主导市场。它们也越来越多地被考虑用于存储可用于电网的可再生能源。然而，随着该市场的快速扩张，预计未来五到十年内锂的供应短缺。

“钠离子电池正在成为一种引人注目的替代品由于钠的储量更大且成本更低，”美国能源部 (DOE) 阿贡国家实验室的化学家徐贵良说道。

迄今为止，此类电池的商业化仍存在严重障碍。特别是含钠的性能随着反复放电和充电而迅速下降。

阿贡国家实验室的一个团队通过钠离子氧化物阴极的新设计在解决这一问题方面取得了重要进展。它紧密基于阿贡早期的锂离子氧化物阴极设计，具有经过验证的高能量存储能力和长寿命。该研究是发表在日记中自然纳米技术。

这两种设计的一个关键特征是微观阴极颗粒含有过渡金属的混合物，其中可能包括镍、钴、铁或锰。重要的是，这些金属并未均匀分布在各个阴极颗粒中。例如，镍出现在核心；围绕该核心的是钴和锰，形成外壳。

这些元素有不同的用途。富含锰的表面使颗粒在充放电循环过程中具有结构稳定性。富含镍的核心提供高容量的能量存储。

然而，在测试该设计时，阴极的储能容量在循环过程中稳步下降。该问题可追溯到循环过程中颗粒中裂纹的形成。这些裂纹是由于颗粒的壳和核之间产生的应变而形成的。该团队试图通过微调阴极制备方法来消除循环前的压力。

用于启动合成过程的前体材料是氢氧化物。除氧和氢外，还含有镍、钴和锰三种金属。该团队制作了这种氢氧化物的两种版本：一种是金属从核心到外壳呈梯度分布，另一种是三种金属均匀分布在每个颗粒中，以进行比较。

为了形成最终产品，该团队将前体材料和氢氧化钠的混合物加热至高达 600°C，在该温度下保持一段选定的时间，然后冷却至室温。他们还尝试了不同的加热速率。

在整个处理过程中，团队监测了颗粒特性的结构变化。该分析涉及使用美国能源部科学办公室的两个用户设施：阿贡国家实验室的先进光子源（光束线 17-BM 和 11-ID）和美国能源部布鲁克海文国家实验室的国家同步加速器光源 II（光束线 18-ID）。

阿贡光束线科学家 Wenqian Xu 表示：“利用这些设施的 X 射线束，我们可以确定实际合成条件下粒子成分和结构的实时变化。”

该团队还使用阿贡纳米材料中心 (CNM) 进行额外分析，以表征粒子，并使用阿贡领导计算设施 (ALCF) 的北极星超级计算机将 X 射线数据重建为详细的 3D 图像。 CNM 和 ALCF 也是能源部科学办公室的用户设施。

初步结果显示，均匀颗粒中没有裂纹，但在低至 250°C 的温度下，梯度颗粒中会形成裂纹。这些裂纹出现在核和核壳边界处，然后移动到表面。显然，金属梯度导致了导致这些裂纹的显着应变。

“既然我们知道梯度粒子可以产生具有高能量存储能力的阴极，我们希望找到能够消除梯度粒子裂纹的热处理条件，”阿贡博士后任命的左文华说。

事实证明，加热速率是一个关键因素。在每分钟五度的加热速率下会形成裂纹，但在每分钟一度的较慢加热速率下不会形成裂纹。在使用以较慢速率制备的阴极颗粒的小型电池中进行的测试在 400 多个循环中保持了其高性能。

“在阴极合成过程中防止裂纹在阴极随后充电和放电时会带来巨大好处，”徐桂良说。 “虽然钠离子电池尚不具备足够的能量密度来为车辆长距离供电，但它们是城市驾驶的理想选择。”

该团队目前正在努力消除阴极中的镍，这将进一步降低成本并更具可持续性。

“未来的前景似乎非常好阿贡杰出研究员哈利勒·阿明 (Khalil Amine) 表示：“这种材料不仅成本低、寿命长，而且能量密度可与目前许多锂离子电池中的磷酸铁锂阴极相媲美。这将带来更具可持续性的电动汽车良好的练习场。”