新材料推動鈉離子電池逐步淘汰昂貴的鋰

由于鋰的價格比一年前高出五倍多，Skoltech和羅蒙諾索夫莫斯科國立大學的研究人員開發了一種鈉離子電池材料，可以替代日益昂貴的鋰離子技術。這種新材料是一種具有特殊晶體結構的鈉釩氟化物粉末。用于電池正極，它提供了創紀錄的儲能容量，消除了新興鈉離子技術的瓶頸之一。研究結果發表在NatureCommunications上。

鋰離子電池無處不在：除其他外，它們為便攜式電子產品和電動汽車提供動力，并存儲風電場產生的能量以消除不規則的風模式。然而，僅僅依靠鋰是有風險的，因為它的化學品越來越昂貴，它們的生產相當骯臟，而且礦床在世界各地分布不均。在元素周期表中下降了一步，更豐富的堿金屬鈉使其成為鋰的可能替代品。

到目前為止，鈉離子電池技術相對較新，雖然電池的基本結構相同，但主要部件必須使用不同的材料。其中，正極對電池特性至關重要。在他們最近的論文中，Skoltech和密歇根州立大學的研究人員提出了一種新的陰極材料，該材料可確保比當前的頂級競爭者高出10%–15%的電池能量密度。

“我們的新材料和該行業最近部署的材料都稱為氟化磷酸鈉釩——它們由相同元素的原子組成。它們的不同之處在于這些原子的排列方式以及它們所包含的比例化合物，”該研究的合著者、Skoltech的助理教授StanislavFedotov說。

“我們的材料也與用于陰極的層狀材料相媲美：它提供大致相同的電池容量和更高的穩定性，這意味著電池的使用壽命更長，成本效率更高，”Fedotov繼續說道。“值得注意的是，即使是對競爭材料的理論預測也達不到我們的實際性能，這遠非微不足道，因為理論潛力從未完全實現。”

科學家們表示，一旦對鈉離子電池的高效材料進行更多研究，它們很可能會取代重型電動汽車(如公共汽車和卡車)以及風能、太陽能發電場的固定儲能中的鋰離子蓄電池。和其他地方。

“更高的儲能容量只是這種材料的優勢之一。它還使陰極能夠在較低的環境溫度下運行，這對俄羅斯尤其重要，”費多托夫說。

Skoltech的研究實習生和該論文的主要作者SemyonShraer分享了這項研究背后的想法的起源：“事實上，電池界傾向于通過經驗——通過反復試驗——繼續尋找新材料——或通過測試大量材料的高通量研究。我們以不同的方式處理它，并支持合理的固態化學設計。這意味著我們依靠硬科學，使用固態化學的基本定律和原理來獲得材料具有所需的屬性。”

“理論考慮使我們找到了一種可能提供高能量存儲容量的材料的基本公式，”他繼續說道。“然后我們需要確定哪種晶體結構可以釋放這種潛力。我們選擇的一種稱為KTP型框架，它來自非線性光學——這在電池工程中并不常見。經過仔細思考和理論化，我們意識到“這種具有特定晶體結構的特定化合物應該起作用。然后我們設法通過低溫離子交換合成了它。它就是這樣，它的優越特性現在已通過實驗得到證實。”