研究人員發(fā)現(xiàn)用鋰換鈉不會降低電池性能

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自2020年以來，鋰的成本增長了近十倍，Elon Musk將這種金屬稱為“新石油”。降低電池成本不僅可以節(jié)省大量資金，還可以更順利地從化石燃料過渡到可再生能源。許多替代電池技術正在研究中，但到目前為止，還沒有一種技術能夠取代鋰成為主要的選擇成分。

現(xiàn)在，亞利桑那州立大學的研究人員提出了一種不同的方法：他們用鈉稀釋鋰，而不是取代鋰。鈉很容易獲得，并且在海水中以氯化鈉（鹽）的形式存在，有可能減輕鋰的財政和環(huán)境負擔。

該團隊使用了他們之前開發(fā)的一種技術進行了測試，其目標是降低成本并穩(wěn)定供應鏈，初步結果顯示，10%的鈉鋰混合物（鈉占10%）在熱力學上是穩(wěn)定的，這一比例預計可以達到20%。他們在7月9日至14日于法國里昂舉行的Goldschmidt Geochemistry Conference上介紹了他們的發(fā)現(xiàn)。

任何鋰離子電池的核心都是鋰離子與電池陽極和陰極之間發(fā)生的化學反應。陽極通常由石墨制成，而陰極由鋰金屬氧化物組成，通常是鋰鈷氧化物。當電池在使用時，鋰離子通過電解質(zhì)從陽極流到陰極，在這個過程中釋放能量。當電池充電時，情況正好相反。

研究小組評估了在鋰離子電池陰極中加入鈉的可行性。他們從熱力學的角度研究了這種材料，因為熱力學穩(wěn)定的分子在各種條件下不太可能分解。

“為了了解制造電池、使用電池、盡可能長時間地保持電池運行，然后最終回收或處理材料，”這項工作的首席研究員Alexandra Navrotsky說，“人們必須了解材料的穩(wěn)定性?！?/p>

為了進行全面測試，還需要研究陽極和電解質(zhì)的穩(wěn)定性。然而，Navrotsky說，這些材料在化學上要簡單得多，不太可能引起重大問題。

為了研究鈉摻雜陰極材料的熱力學穩(wěn)定性，科學家們采用了一種稱為高溫滴量熱法的技術（high-temperature drop calorimetry）。這種方法是他們實驗室首創(chuàng)的，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，能夠精確測量高溫下化學反應產(chǎn)生的能量變化。

確定任何材料的熱力學穩(wěn)定性，例如鈉摻雜陰極，需要測量其形成所涉及的能量，也被稱為反應能量，在這種情況下，來自反應物組分，鋰金屬氧化物和鈉金屬氧化物。理想情況下，研究人員將直接測量將反應物轉化為所需產(chǎn)物所涉及的能量。

然而，對于許多材料來說，即使在高溫下，形成反應也會緩慢發(fā)生，這使得直接測量能量變得不切實際或不可行。相反，研究人員測試了將每種成分與第三種材料相結合所涉及的能量，以及將最終產(chǎn)物與同一種第三種物質(zhì)相結合所涉的能量，并得出這些測量值之間的差異，以確定感興趣的反應能量。Navrotsky說：“在我們的情況下，第三種材料在量熱計滴溶液中熔融鹽溶劑中溶解后，在熱力學上仍然穩(wěn)定?！?/p>

亞利桑那州立大學的研究小組通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在高達20%的鈉摻雜下，陰極保持穩(wěn)定。然而，當他們進一步提高鈉濃度時，他們觀察到了一些有趣的事情。這種材料沒有在成分變化的同時保持相同的結構，而是經(jīng)歷了結構轉變。不幸的是，這種新結構不具備可行電池所需的電氣性能。

這項研究表明，電池中使用的鋰中，多達20%可能被來自鹽的鈉所取代。這項工作是基本的第一步，表明用鈉稀釋鋰在化學上是可行的。這是否會帶來實用的電池以及相關的成本節(jié)約還有待觀察。

未來，研究人員還將繼續(xù)尋找最佳混合比例，然后將他們的發(fā)現(xiàn)交給電池技術專家，以生產(chǎn)第一批鈉鋰電池。

Navrotsky說：“我們真正感興趣的是了解材料在成分或其他參數(shù)下的穩(wěn)定性差異。我們相信這是開發(fā)新電池技術的第一步。我們的研究為探索我們?nèi)粘Ｉ钪兴蕾嚨匿囯姵氐奶娲?、更實惠和可持續(xù)的來源開辟了一條充滿希望的道路。”