芝加哥大学研发全球首款无阳极钠固态电池 带来高容量的同时更为廉价

无阳极钠固态电池（图片来源：芝加哥大学）

通过该项研究制成的LESC（锂离子电池模拟器）让我们比以往任何时候都更接近于实现廉价、可快速充电且高容量的电池，以用于电动汽车以及电网储能。该款LESC由芝加哥大学普立茲克分子工程学院与加州大学圣地亚哥分校化学与纳米工程系的Aiiso Yufeng Li家族合作研发。

该论文的第一作者、加州大学圣地亚哥分校博士候选人Grayson Deysher表示：“虽然之前已经有钠电池、固态电池和无阳极电池，但到目前为止还没有人能够成功地将这三种想法结合起来。”

该论文展示了一种新型钠电池架构，可以完成数百次稳定的充放电循环。通过去除阳极并采用廉价、丰富的钠来替代锂，此种新型电池的生产成本更低而且生产过程更环保。通过其创新型固态设计，该款电池将既安全又强大。

该项研究既是一项科学进步，同时也是填补电池技术发展所需的缺口，以使世界经济能够从化石燃料过渡到可再生能源所必需的一步。

芝加哥大学普利兹克分子工程学院（UChicago Pritzker School of Molecular Engineering）与加州大学圣迭戈分校李爱索-玉峰家族化学与纳米工程系（University of California San Diego's Aiiso Yufeng Li Family Department of Chemical and Nano Engineering）合作成立的能量存储与转换实验室（Laboratory for Energy Storage and Conversion）推出了一种新型电池，为电动汽车和电网存储带来了前所未有的廉价、快速充电、高容量电池。图片来源：芝加哥大学普利兹克分子工程学院/John Zich

加州大学圣地亚哥分校博士生格雷森-戴舍（Grayson Deysher）是概述该团队工作的论文的第一作者。加州大学圣地亚哥分校博士生格雷森-戴舍（Grayson Deysher）是概述该团队工作的论文的第一作者。图片来源：David Baillot / 加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院

可持续性发展与钠

常用于电池的锂金属并不常见，在地壳中的含量约为百万分之二十，而钠的含量为百万分之两万。

锂的稀缺性加上笔记本电脑、手机和电动汽车等对锂离子电池的需求激增，导致锂金属价格飙升，也导致所需电池变得更加遥不可及。

锂矿的分布也较为集中。智利、阿根廷和玻利维亚的“锂三角”地区拥有全球75%以上的锂资源供应，其他锂矿则分布在澳大利亚、北卡罗来纳州和内华达州，因此一些国家在应对气候变化所需的脱碳过程中占据了优势地位。

锂的提取过程也会对环境造成破坏，无论是使用工业酸分解矿石，还是更常见的将大量水泵到地面干燥的盐水提取过程。

创新架构

为了打造出能量密度与锂电池相当的钠电池，该团队需要发明一种新型钠电池架构。

传统电池在充电时，阳极用来储存离子。在电池使用过程中，离子从阳极极通过电解质流向集电器（阴极），为设备和汽车提供动力。

无阳极电池除去阳极，并将离子直接储存在集电器上的碱金属电化学沉积上。此种方法可以实现更高的电池电压、更低的电池成本和更高的能量密度，但也带来了一些挑战。

Deysher表示：“在任何无阳极电池中，电解质和集电器之间都需要有良好的接触。当使用液体电解质时，这通常非常容易，因为液体可以流动到任何地方，并润湿每个表面。固体电解质则不能做到这一点”。

然而，此类液体电解质在稳定地消耗活性材料的同时，会形成一种叫做固体电解质中间相的堆积物，从而随着时间的推移缩短电池的使用寿命。

流动的固体

该研究团队采用了一种新颖的、创新的方法来解决这个问题。他们创造了一个包裹着电解质的集电器，而不是用电解质包裹着集电器。

铝粉是一种可以像液体一样流动的固体，研究人员正是用铝粉制造了集电器。

在电池组装装循过程中，粉末在高压下完成致密化，形成固体集电器，同时与电解质保持类似液体的接触，从而实现低成本、高效率的循环，进而推动该项变革性技术向前发展。

Deysher表示:“钠固态电池通常被认为是一种遥远的未来技术，但我们希望这篇论文能够通过证明钠电池确实可以很好地工作，甚至在某些情况下比锂电池更好，从而推动钠电池领域的进一步发展。”