作為未來電池技術(shù)發(fā)展的重要趨勢之一，固態(tài)電池具有技術(shù)顛覆的潛力，是下一代電池技術(shù)競爭的關(guān)鍵制高點，因此被譽為電池產(chǎn)業(yè)的“圣杯”。
這種新型的電池技術(shù)，其電解質(zhì)為固態(tài)而非液態(tài)，因而能夠提供更高的能量密度和更高的安全性，被視為電動汽車、電子設(shè)備及電網(wǎng)儲能的理想選擇，兼具高安全性與高性能。
但目前大部分固態(tài)電池正負(fù)極材料中仍普遍含有鋰元素。而鋰資源不僅稀缺、價格昂貴，且開采過程還可能對環(huán)境造成破壞。因此，越來越多研究將目光轉(zhuǎn)向資源豐富、成本較低且環(huán)境負(fù)擔(dān)較輕的替代材料——鈉。
不過，盡管鈉基固態(tài)電池潛力巨大，但鈉固體電解質(zhì)的室溫離子電導(dǎo)率有限，導(dǎo)致以往制備的固態(tài)鈉基電池在室溫和低溫條件下性能不盡如人意。最新研究顯著提升了鈉基固態(tài)電池的性能基準(zhǔn)，向?qū)嶋H應(yīng)用邁出關(guān)鍵一步。
近日，美國芝加哥大學(xué)與新加坡科技研究局材料研究與工程研究所合作研制出一款鈉基固態(tài)電池。該電池能在零攝氏度以下低溫環(huán)境中穩(wěn)定運行。這一突破有望增強(qiáng)鈉基固態(tài)電池的競爭力。
相關(guān)研究成果已于9月16日發(fā)表于最新一期《焦耳》雜志。論文第一作者、來自于新加坡科學(xué)家吳鎮(zhèn)安（Jin An Sam Oh）表示，這項研究有助于使鈉在電化學(xué)性能方面與鋰處于更平等的競爭環(huán)境中。
他指出：“我們的突破在于應(yīng)用了一種從未被報道過的亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，這種氫硼酸鈉亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)具有非常高的離子電導(dǎo)率，至少比文獻(xiàn)報道的離子電導(dǎo)率高出一個數(shù)量級，較其前體材料更是提高了三至四個數(shù)量級。”
研究團(tuán)隊通過將亞穩(wěn)態(tài)氫化硼酸鈉加熱至結(jié)晶溫度后迅速冷卻，以動力學(xué)方式成功穩(wěn)定了其晶體結(jié)構(gòu)。這一方法雖屬成熟工藝，卻是首次應(yīng)用于固體電解質(zhì)領(lǐng)域，其技術(shù)可行性有望加速該成果從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化。
“既然這項技術(shù)已經(jīng)成熟，我們將來就能更好地擴(kuò)大規(guī)模，” 吳鎮(zhèn)安說?！叭绻闾岢鲆恍┬碌臇|西，或者需要改變或建立流程，那么業(yè)界會更不愿意接受它?！?/p>
團(tuán)隊隨后將氫化硼酸鈉與涂覆氯化物基固體電解質(zhì)的O3型陰極結(jié)合，構(gòu)建出厚度更大、面積負(fù)載更大的陰極，這使得這種新設(shè)計超越了以往的鈉電池。與薄陰極的設(shè)計策略不同，厚陰極可減少非活性材料比例，從而提升電池的能量密度。
在此項研究中，科研人員結(jié)合計算和實驗數(shù)據(jù)，評估了氫硼酸鈉的亞穩(wěn)態(tài)，并表明從結(jié)晶狀態(tài)快速冷卻可在動力學(xué)上鎖定正交相，從而實現(xiàn)快速的 Na +遷移。當(dāng)與氯化物基固體電解質(zhì)涂層正極配合使用時，這種亞穩(wěn)態(tài)相可實現(xiàn)厚的、高面積負(fù)載的復(fù)合陰極，并在零下溫度下保持性能。
高通量分子動力學(xué)模擬表明，陰離子運動的傾向顯著增強(qiáng)了高移動性 Na +的數(shù)量，而不會影響活化能。通過利用其在寬溫度范圍內(nèi)的高電導(dǎo)率，這種材料可以開發(fā)具有超厚陰極的全固態(tài)鈉離子電池，并在室溫和零下環(huán)境中提供可靠的性能。 這項突破源于對氫硼酸鈉亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新性穩(wěn)定化，氫硼酸鈉是一種以其優(yōu)異的離子電導(dǎo)率而聞名的化合物。研究表明，這種穩(wěn)定形式的離子電導(dǎo)率至少比先前科學(xué)文獻(xiàn)中報道的數(shù)值高出十倍。 此外，這一顯著進(jìn)展為氫硼酸鈉在固體電解質(zhì)中的有效利用鋪平了道路，而固體電解質(zhì)是優(yōu)化全固態(tài)電池功能的關(guān)鍵。 與鋰離子電池相比，使用氫硼酸鈉固體電解質(zhì)還確保了更高的機(jī)械強(qiáng)度和更低的可燃性，解決了液體電解質(zhì)電池普遍存在的關(guān)鍵安全問題，并降低了火災(zāi)和災(zāi)難性熱失控的風(fēng)險。
這項研究的意義可能對未來的儲能系統(tǒng)產(chǎn)生變革性的影響。通過提高鈉基電池的能量密度，該團(tuán)隊有助于構(gòu)建一種更可持續(xù)的能源消耗模式，從而大大降低對鋰的依賴。鑒于電動汽車驅(qū)動和可再生能源并網(wǎng)對清潔能源解決方案的需求日益增長，這一進(jìn)展尤為重要。
盡管這項研究標(biāo)志著向前邁出了重要一步，但像吳鎮(zhèn)安這樣的研究人員承認(rèn)，旅程才剛剛開始?！扒懊娴穆愤€很長，但我們的工作是朝著釋放鈉基電池技術(shù)全部潛力邁出的重要一步，”他指出，并強(qiáng)調(diào)了在這一激動人心的領(lǐng)域繼續(xù)進(jìn)行研究和開發(fā)的需求。
“這不是鈉和鋰的問題。我們兩者都需要。當(dāng)我們思考未來的儲能解決方案時，我們應(yīng)該設(shè)想同一個超級工廠可以生產(chǎn)基于鋰和鈉化學(xué)的產(chǎn)品，”芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院（UChicago PME）劉氏家族分子工程教授Y. Shirley Meng說道。“這項新研究讓我們更接近最終目標(biāo)，同時也推動了基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展?！?/span>
這不僅是一項技術(shù)突破，更在電化學(xué)性能層面拉近了鈉與鋰的競爭距離，展現(xiàn)出重要的科學(xué)價值與應(yīng)用前景。隨著鈉技術(shù)逐漸成為一種強(qiáng)有力的替代方案，成熟技術(shù)與創(chuàng)新研究實踐的持續(xù)融合，或?qū)㈧柟题c在未來電池技術(shù)中的地位。
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參考資料：
[1] https://climate.uchicago.edu/news/breakthrough-advances-sodium-based-battery-design/
[2] https://interestingengineering.com/energy/sodium-solid-state-batteries-freezing-temps
[3] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435125003113
[4] https://scienmag.com/groundbreaking-innovations-in-sodium-based-battery-design/
[5] https://www.stdaily.com/web/gjxw/2025-09/19/content_403844.html
[6] https://www.stcn.com/article/detail/3351424.html