鋰電池退場？鈉電池有望為綠色經(jīng)濟(jì)提供動力

鋰離子電池?zé)o處不在，不僅用于耳機(jī)、手機(jī)和汽車，還在儲存可再生能源的大型設(shè)施中發(fā)揮重要作用——在太陽光照和風(fēng)力減弱時提供能源。然而，鋰本身相對稀缺，且僅在少數(shù)國家有儲量。一個以可再生能源為動力的世界需要的電池容量將是目前的200倍——而這可能意味著需要一種不同類型的電池。芝加哥大學(xué)電池化學(xué)家Y. Shirley Meng說：“我不知道僅靠鋰離子電池能否實現(xiàn)這一目標(biāo)?！?/span>

俄克拉荷馬州一個設(shè)施的鹽堆證明，鈉并不缺乏（圖源：JIM WEST/REPORT DIGITAL-REA VIA REDUX）

一種存在了幾十年的技術(shù)或許能夠迎接這一挑戰(zhàn)：使用鈉離子而非鋰離子來攜帶和儲存電荷的電池。鈉在海水和鹽礦中隨處可見，因此供應(yīng)和成本都不是問題。但鈉這種金屬在儲存電荷方面不如鋰，因為鈉離子的體積是鋰離子的三倍，這限制了鈉離子進(jìn)出現(xiàn)有電池電極的能力。全球各地的實驗室正在開發(fā)新的電極材料來解決這一問題，在過去6個月中，已有幾個研究團(tuán)隊經(jīng)宣布鈉電池的儲能與低端鋰電池相當(dāng)。哥倫比亞大學(xué)的電池化學(xué)家Dan Steingart 說?！斑@種進(jìn)步令人驚嘆?！庇糜陔妱悠?、摩托車和電網(wǎng)儲能的商用鈉離子電池也開始下線。

不過，研究人員提醒說，鈉離子電池還沒有做好廣泛應(yīng)用的準(zhǔn)備?！拔覀冞€沒有達(dá)到那個階段，”法國學(xué)院的固態(tài)化學(xué)家Jean-Marie Tarascon說，鈉電池的性能仍遠(yuǎn)不及最好的鋰離子電池。而且目前缺乏轉(zhuǎn)向鈉電池的經(jīng)濟(jì)動力：鋰短缺仍是一個理論上的問題，而由于供應(yīng)過剩，鋰金屬的價格在過去三年中實際上下降了70%。

與鋰電池一樣，鈉離子電池的工作原理是通過離子導(dǎo)電的電解質(zhì)將正離子在一對電極之間傳遞，充電時，電子進(jìn)入帶負(fù)電荷的陽極，吸引金屬離子通過電解質(zhì)從帶正電的陰極流向陽極。放電時離子從陽極流回陰極。

由于鈉離子比鋰離子大，因此能擠入陽極儲存電荷的鈉離子數(shù)量較少。因此需要更大的電池來儲存相同的電量，這就增加了成本和體積。鈉電池的存儲容量甚至連最好的鋰電池的一半都難以達(dá)到，后者每公斤可存儲300瓦時以上的能量（Wh/kg）。但美國阿貢國家實驗室的電池化學(xué)家Gui-Liang Xu說：“我們有多種途徑可以解決這一挑戰(zhàn)?！?/span>

一種方法是改變陽極的成分。大多數(shù)鋰離子電池使用石墨，這是一種碳的形態(tài)，其緊密的層狀結(jié)構(gòu)往往會排斥鈉離子。許多研究人員轉(zhuǎn)而使用另一種形式的碳——硬碳，由一團(tuán)碳顆粒組成，給鈉離子留下了可以鉆入的孔隙。

不幸的是，這些孔隙也會減少陽極的儲能容量。但研究人員發(fā)現(xiàn)，在陽極中加入錫可以幫助解決這一問題。當(dāng)穩(wěn)定在碳基質(zhì)上時，每個錫原子可以結(jié)合多達(dá)3.75個鈉離子，從而提高陽極儲存鈉離子的能力，進(jìn)而提高儲能。例如，總部位于美國圣迭戈的初創(chuàng)公司UNIGRID開發(fā)的電池可儲存170 Wh/kg的能量。休斯頓大學(xué)的鈉離子電池專家姚彥說：“雖然這仍然低于低端鋰電池的200 Wh/kg，但非常令人興奮。”

另一種改進(jìn)方法是調(diào)整帶正電的陰極的成分，以實現(xiàn)更好的鈉儲存和流動。其中一種最受歡迎的新材料是鈉、釩、磷和氧的混合物（NaVPO），這種材料往往能形成層狀結(jié)構(gòu)，使鈉原子輕松進(jìn)出。

目前，與鋰離子電池的陰極相比，NaVPO的能量密度適中，但由休斯頓大學(xué)的化學(xué)家Pieremanuele Canepa的研究團(tuán)隊最近利用計算機(jī)建模和X射線衍射技術(shù)，識別出一種對NaVPO晶體結(jié)構(gòu)的有前景的調(diào)整方式，2024年10月23日在線發(fā)表于《自然-材料》雜志，Canepa和同事們不僅合成了一種新材料，還將其應(yīng)用于鈉離子電池的陰極中，與之前的NaVPO設(shè)計相比，這種陰極可多儲存15%的能量。

另一種更激進(jìn)的方法是用有機(jī)化合物制造陰極，這些化合物也能形成存儲和釋放鈉離子的層狀結(jié)構(gòu)。許多有機(jī)物在電池電解質(zhì)中會分解，但在2月5日出版的《美國化學(xué)會志》上，麻省理工學(xué)院的Mircea Dinc?研究團(tuán)隊報告稱，他們創(chuàng)造了一種更耐用的層狀有機(jī)陰極，名為TAQ。這種材料不僅在數(shù)千次充放電循環(huán)中保持穩(wěn)定，而且TAQ的能量密度在鈉離子陰極中也是最高的。Canepa稱其為“化學(xué)的杰作”。

盡管如此，許多電池專家仍然對鈉電池的未來持謹(jǐn)慎態(tài)度，并對一些公司的公告表示懷疑。UNIGRID首席執(zhí)行官Darren Tan說，電池設(shè)計和性能的細(xì)節(jié)“缺乏透明度”。

障礙不僅僅是技術(shù)上的，Steingart說，目前鋰的低成本削弱了鈉的主要賣點(diǎn)。鈉離子電池制造商的規(guī)模仍然太小，無法從規(guī)模經(jīng)濟(jì)中獲益。2024年11月，這些挑戰(zhàn)導(dǎo)致該領(lǐng)域的先驅(qū)之一——瑞典鈉離子電池公司Northvolt申請破產(chǎn)。

斯坦福大學(xué)材料科學(xué)家William Chueh說，鈉離子電池的成本效益將取決于技術(shù)進(jìn)步。1月13日，他和同事在《自然-能源》在線發(fā)表了一篇論文，評估了生產(chǎn)鈉離子電池的6000多種路線圖，發(fā)現(xiàn)要想與低成本的鋰離子電池競爭，研究人員需要取得幾項突破，包括消除鈉離子電池目前所需的昂貴材料，如鎳和釩。

Steingart相信這些進(jìn)步即將到來。他說，關(guān)于鈉離子電池的基本化學(xué)原理，“我們?nèi)蕴幱谠缙陔A段”。