研究人員發(fā)現(xiàn)用鋰換鈉不會(huì)降低電池性能

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自2020年以來(lái)，鋰的成本增長(zhǎng)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(guò)渡到可再生能源。許多替代電池技術(shù)正在研究中，但到目前為止，還沒(méi)有一種技術(shù)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(xué)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(cái)政和環(huán)境負(fù)擔(dān)。

該團(tuán)隊(duì)使用了他們之前開(kāi)發(fā)的一種技術(shù)進(jìn)行了測(cè)試，其目標(biāo)是降低成本并穩(wěn)定供應(yīng)鏈，初步結(jié)果顯示，10%的鈉鋰混合物（鈉占10%）在熱力學(xué)上是穩(wěn)定的，這一比例預(yù)計(jì)可以達(dá)到20%。他們?cè)?月9日至14日于法國(guó)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(yáng)極和陰極之間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。陽(yáng)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(dāng)電池在使用時(shí)，鋰離子通過(guò)電解質(zhì)從陽(yáng)極流到陰極，在這個(gè)過(guò)程中釋放能量。當(dāng)電池充電時(shí)，情況正好相反。

研究小組評(píng)估了在鋰離子電池陰極中加入鈉的可行性。他們從熱力學(xué)的角度研究了這種材料，因?yàn)闊崃W(xué)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(zhǎng)時(shí)間地保持電池運(yùn)行，然后最終回收或處理材料，”這項(xiàng)工作的首席研究員Alexandra Navrotsky說(shuō)，“人們必須了解材料的穩(wěn)定性?！?/p>

為了進(jìn)行全面測(cè)試，還需要研究陽(yáng)極和電解質(zhì)的穩(wěn)定性。然而，Navrotsky說(shuō)，這些材料在化學(xué)上要簡(jiǎn)單得多，不太可能引起重大問(wèn)題。

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

確定任何材料的熱力學(xué)穩(wěn)定性，例如鈉摻雜陰極，需要測(cè)量其形成所涉及的能量，也被稱為反應(yīng)能量，在這種情況下，來(lái)自反應(yīng)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(cè)量將反應(yīng)物轉(zhuǎn)化為所需產(chǎn)物所涉及的能量。

然而，對(duì)于許多材料來(lái)說(shuō)，即使在高溫下，形成反應(yīng)也會(huì)緩慢發(fā)生，這使得直接測(cè)量能量變得不切實(shí)際或不可行。相反，研究人員測(cè)試了將每種成分與第三種材料相結(jié)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(jié)合所涉的能量，并得出這些測(cè)量值之間的差異，以確定感興趣的反應(yīng)能量。Navrotsky說(shuō)：“在我們的情況下，第三種材料在量熱計(jì)滴溶液中熔融鹽溶劑中溶解后，在熱力學(xué)上仍然穩(wěn)定?！?/p>

亞利桑那州立大學(xué)的研究小組通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在高達(dá)20%的鈉摻雜下，陰極保持穩(wěn)定。然而，當(dāng)他們進(jìn)一步提高鈉濃度時(shí)，他們觀察到了一些有趣的事情。這種材料沒(méi)有在成分變化的同時(shí)保持相同的結(jié)構(gòu)，而是經(jīng)歷了結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。不幸的是，這種新結(jié)構(gòu)不具備可行電池所需的電氣性能。

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

未來(lái)，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(shù)專家，以生產(chǎn)第一批鈉鋰電池。

Navrotsky說(shuō)：“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(kāi)發(fā)新電池技術(shù)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?shí)惠和可持續(xù)的來(lái)源開(kāi)辟了一條充滿希望的道路。”