斯坦福大学的这款高性价比钠基电池,性能优于80%的锂基电池

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2017-10-11 12:15 Lynn 镁客网

分析结果表明,就性价比而言,该钠基电池优于锂基电池;而单就性能来看,该新型钠基电池优于市面上80%的锂基电池。

锂电池的成本问题

无论是推出最新超级电池的东芝,还是一直在电池技术上处于霸主地位的特斯拉,他们采用的电池都是基于锂,也就是大家常说的锂电池。

锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。1912年锂金属电池最早由Gilbert N. Lewis提出并研究,20世纪70年代时,M. S. Whittingham提出并开始研究锂离子电池。

由于锂的化学性质非常活泼,使得在锂的加工、保存和使用过程中对环境要求非常高,所以,锂电池曾长期没有得到应用,不过随着科学技术的发展,锂电池逐渐发展成为现在的主流。

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但是此处值得注意的是,虽然锂具有优秀的性能,地球上锂的存储量却是极少的,因此锂的价格也十分之高。

而如今,随着人们对环境保护的需求增加,加之风力和太阳能供电技术的发展,我们对电力存储能力的需求也随之增加,因此成本问题也愈加严峻。

研究初衷:保性能,降成本

就如何降低成本这一问题,斯坦福大学的一支研究团队研制出了一种新型钠基电池,并发表了最新论文。在文中,研究者在价格和性能两方面详细对比了钠基电池与锂基电池,证明了该团队开发的钠基电池可以以更低的成本储存与最先进的锂离子电池相同的电量。

对于锂电池卓越的存储能力,此次研究的主要作者鲍哲南(音译)表示十分认可,他说道:“锂在电池领域始终占据霸主地位,它卓越的存储能力是不容置疑的,但是锂矿的量是很少的,因此利用锂来制造电池的成本就会很高,所以我们想要研制出利用地球上富足的元素来制造电池。”

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研究表明,电池材料的成本约占电池总成本的1/4。选用锂矿,每吨是15000美元,而选用钠矿,每吨只有150美元,这里同等条件下,钠的成本只有锂的1/10,这也就是该研究团队坚持选择钠的原因。

颠覆传统电池构造:钠-肌醇

值得注意的是,该研究团队并不是第一个研究钠基电池的团队,但此前在该方面研究的项目并未取得进展。

不同于之前已有的研究,斯坦福大学的研究团队采用的是与我们平时食用的盐很相似的组成原理,在食用盐里,氯化物与钠离子组合成盐的基本成分:氯化钠;而在这款钠基电池里,研究人员将钠离子与肌醇组合。

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肌醇与钠的组合不像氯化钠一样常见,但是肌醇是工业界中一种常见的有机化合物,它源于米糠,现存在于婴儿奶粉配方中。

在常用的钠基电池中,钠构成阴极,用于存储电子,在充电过程中,电池内的化学物质磷将钠极电子传送到阳极端,同理,放电过程则相反。在电流流动过程中,如果阴极传送电子和阳极释放电子这两个过程的效率都提高,那么整个电池的存储和放电效率就会更高,这样电池的性能就会更优。

基于这一认识,斯坦福大学的博士后学者Min Ah Lee及团队成员改进了钠与肌醇之间传输电子的性能,具体改进方法不得而知,但这一方法显著提升了当前已有的钠基电池的性能,超越了此前所有的研究与尝试。

研究成果:性能优于80%的锂基电池

这一项重大改进将钠基电池与居于“霸主”地位的锂基电池拉近了距离,于是团队开始将改进后的钠基电池与现有的锂电池进行比较和分析。分析结果表明,就性价比而言,该钠基电池优于锂基电池;而单就性能来看,该新型钠基电池优于市面上80%的锂基电池。

为了进一步优化该电池的性能,推动电池技术的商业应用,研究团队还优化了这种电池的充放电周期。

举例来看这一优化的必要性,如屋顶太阳能阵列将光能转化为电力后,电池将怎样有效地存储这种电能,以及如何有效地将存储的电力提供给房屋的灯等电力设备。

据团队表示,接下来,他们开始考虑每立方体积内的能量密度,即钠离子电池要储存与锂离子系统相同的能量,电池将会有多大,以及怎样改进电池的大小。

据了解,为了更好地研究电池的充放电过程,博士后学者Jihyun Hong和研究生Kipil Lim与SLAC国家加速器实验室的科学家Chueh和Michael Toney合作,他们精确地研究了钠离子如何与阴极附着和分离,这有助于提高其整体电池设计和性能。

对于这一研究,材料科学家崔毅(音译)表示:“这已经是一个很好的设计,但是我们有信心进一步优化磷的传输能力。”

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