Discovery為更安全的固態鈉充電電池提供了途徑

在新加坡國立大學研究人員的突破性發現之后，為電動汽車、手機和許多其他應用提供動力的更安全、更環保、更便宜的可充電電池可能會更進一步。

由助理教授Pieremanuele(Piero)Canepa(新加坡國立大學設計與工程學院材料科學與工程系)領導的團隊已經確定了一種新的鈉離子基固體電解質組合物，可以實現超快電池充電和放電。

他們的研究最近發表在NatureCommunications上。

“傳統和廣泛使用的鋰離子電池受到安全問題的困擾，特別是由于它們所含的液體電解質的高度可燃性，”卡內帕助理教授說。

“挑戰在于尋找更安全的固態替代品，在充電速度、壽命和潛在充電容量方面具有競爭力。”

更安全的高容量電池

研究人員普遍認為，使用不易燃的陶瓷材料(稱為固體電解質)來制造全固態電池是提供滿足低碳未來能源需求所需的更安全、高容量電池的最佳前景。

困難在于開發能夠提供與商用鋰離子電池的易燃液體電解質競爭的性能的陶瓷材料的正確成分。

新加坡國立大學團隊開發的新型固態組合物使用了一類稱為NASICON(或鈉超離子導體)的固體電解質，大約在40年前由2019年諾貝爾化學獎獲得者Hong和Goodenough首次發現。

除了更安全之外，通過使用鈉而不是鋰，電池還具有更便宜和更容易生產的額外好處。

“世界上大部分鋰本身就是一種相當稀有的元素，僅來自少數幾個地方——主要是智利、玻利維亞和澳大利亞，”卡內帕副教授說。“然而，使用依賴鈉的電池效率更高，因為鈉可以輕松甚至清潔地提取-即使在新加坡這樣的小地方也是如此。”

先進的方法

Canepa助理教授團隊的發現是使用自下而上的方法進行的，該方法首先使用同一團隊開發的高性能超級計算機和新算法開發了NASICON陶瓷成分的理論原子尺度模型。

然后，法國亞眠CNRS實驗室deRéactivitéetChimiedesSolides的Masquelier教授團隊對設計的成分進行了實驗合成、表征和測試。然后在新加坡國立大學和德國于利希的能源與氣候研究所測量了新NASICON組合物中離子運動的速度。

“我們使用的方法使研究人員能夠加速新固體電解質的開發和優化的開發和優化，這對于實現更安全的高功率密度電池至關重要，”Canepa助理教授說。

“我們相信，這種先進的方法對于開發下一代清潔能源存儲技術至關重要。”

該團隊目前正在進行的下一階段研究將重點開發使用NASICON陶瓷的全尺寸固態電池，并展示其充放電性能。

Canepa助理教授領導著新加坡國立大學的Canepa研究實驗室，該實驗室利用超級計算機的強大功能和先進的模擬算法來突破清潔能源轉換和存儲的界限。

Canepa實驗室對全固態電池的研究

在一項相關研究中，Canepa實驗室的研究人員研究了全固態電池開發中的一個關鍵挑戰：堿金屬陽極和固體電解質之間的界面，該界面通常不穩定并且是電池故障的根源.

該界面的穩定性取決于在邊界處形成的化學性質不同的中間層(稱為固體電解質界面)的性質。

在他們最近發表在PRXEnergy雜志上的研究中，由研究員YuhengLi領導的團隊研究了鋰金屬負極和眾所周知的固體電解質之間的電池界面，在該界面形成了一個自限性和穩定的界面。

為了了解這種穩定性的起源，作者使用原子級模擬來模擬界面的電子電導率。他們發現界面是電子絕緣的，因此會阻止其自身的逐漸形成并穩定界面。

該團隊表示，他們的發現為穩定的電池接口提供了設計指南，有助于加速安全和高性能全固態電池的商業化。