在钠离子电池中保留水分几乎将其储能容量翻倍

电池化学中的反直觉突破

多年来，电池制造商一直把水视为敌人。可充电电池的制造工艺通常涉及在高温下仔细干燥电极材料，以消除任何水分痕迹。现在，萨里大学的研究人员用一项发现颠覆了这一假设，这项发现可能会重塑电网级储能的经济效益。

该团队发现，与干燥版本的同一材料相比，在钠离子电池正极材料内保留水分子几乎使其储能容量翻倍。发表在《材料化学杂志A》上的研究结果表明，该行业的标准电池制造方法可能一直在放弃重大的性能提升。

"该材料表现出比预期强得多的性能和稳定性，"来自萨里大学的首席研究员丹尼尔·康曼德尔说。这一发现为钠离子电池开辟了一条有前景的道路，尽管钠离子电池在成本和可持续性方面提供了强大的优势，但长期以来一直难以与锂离子电池的能量密度相匹敌。

水如何增强钠离子性能

改进背后的机制简洁优雅。研究中的正极由纳米结构钒酸盐水合物（NVOH）制成。当水分子保留在材料的晶体结构中时，它们会导致正极内的层略微膨胀。这种扩展间距为钠离子在充放电循环期间进出提供了额外空间。

可以把它想象成扩大仓库的通道。有了更多的活动空间，钠离子可以更自由地流动，数量也更多，使正极在每个周期中能够接受和释放更多的电荷。水分子本质上充当结构支柱，撑起正极的分层结构，防止其在重复循环过程中坍塌。

用含水正极材料制造的测试电池在400多个充放电循环中保持稳定，表明水不会随时间降解或破坏电极。NVOH材料现在被认为是钠离子电池中性能最好的正极材料之一，这类技术研究人员和行业越来越多地将其视为锂离子电池在固定存储应用中的补充。

为什么钠离子电池很重要

锂离子电池统治可充电电池市场是有原因的。它们将巨大的能量打包成小的、轻便的包装，使其成为智能手机、笔记本电脑和电动车的理想选择。但锂电池有其弊端。这种元素集中在少数几个国家，开采它需要大量的水，锂供应链的地缘政治复杂性已成为政府和制造商共同关注的话题。

相比之下，钠是地球上最丰富的元素之一。它可以以远低于锂矿开采成本的成本从海水中提取，钠离子电池的操作通常更安全，热失控和火灾风险更低。这些优势使钠离子技术对大规模电网储存特别有吸引力，在这种情况下，成本、安全和供应链韧性比重量和尺寸更关键。

问题一直是能量密度。钠离子电池每单位重量或体积存储的能量明显少于锂离子电池，限制了其实际应用。萨里团队的发现通过几乎使正极容量翻倍，向缩小这一差距迈出了有意义的一步。

额外发现：海水淡化潜力

在意外的转折中，研究人员还发现他们的含水正极材料可以有效地用作海水淡化电极。当用于电化学淡化设置时，NVOH材料可以去除水中的盐，同时存储能量。这种双重用途的能力提出了一种诱人的可能性，即电池系统可以与沿海社区的淡化工厂集成，从海水中生成存储的能量和淡水。

虽然这些应用仍然是推测性的，但该发现暗示了该材料超越常规电池用途的更广泛潜力。在清洁水和可靠储能都是紧迫需求的地区，同时解决这两个挑战的技术可能会产生变革性的影响。

商业化之路

这一发现的直接影响对日益增长的钠离子电池行业最为重要。包括CATL和HiNa Battery在内的中国公司已经开始商业生产用于电动车和电网储存的钠离子电池。如果含水正极方法能够扩大规模并集成到现有制造工艺中，它可以大幅提高钠离子技术相对于锂离子替代品的竞争力。

这种方法的简洁性特别令人鼓舞。改进不是来自需要异国他乡的新材料或复杂的制造技术，而是来自做得更少，特别是跳过正极生产中的标准做法——能量密集的干燥步骤。这可以转化为更好的性能和更低的制造成本，这在电池研究中是罕见的组合。

随着世界争相建设支持可再生能源电网所需的储能基础设施，价格合理且可扩展的电池技术将至关重要。萨里团队的工作表明，更好电池的答案可能一直就在眼前，就在制造商一直小心翼翼地移除的水中。

本文基于New Atlas的报道。阅读原文。