廉价核壳结构负极推动钠离子电池首次充电效率达82%

该负极基于低成本、环保的活性炭材料。

德国研究人员展示了一种低成本负极，其初始效率达到82%，有望显著提升钠离子电池的性能。这项由德国联邦材料研究与测试研究所开发的核壳结构负极兼具高效能与高存储容量。

BAM能源材料专家蒂姆-帕特里克·费林格博士指出：“我们意识到，对于钠离子电池而言，单一材料无法同时实现高存储容量和高效的成膜效果。”

该负极还能大幅减少首次充电循环中的能量损耗——这正是制约钠离子电池发展的主要瓶颈之一。其设计使初始效率达到未涂层负极的四倍。

革命性负极

钠离子电池被广泛视为锂离子电池的有力替代品，尤其适用于大规模储能领域。钠的成本比锂低约50倍，开采破坏性更小，且储量丰富、对环境更友好。

尽管锂离子电池效率通常超过90%，钠离子电池却始终难以接近这一水平。其根本原因在于电池制造过程中的首次充电会导致不可逆的容量损失。这种损失源于负极与电解质（电池中的导电流体）之间的化学反应，甚至在电池投入使用前就已发生。

在此过程中，电解质分子在硬碳负极处分解并渗入其孔隙，占据本应用于储存钠离子的“空位”。只有当负极表面形成稳定的保护层后，该过程才会停止。虽然这层薄膜能阻止进一步损伤，但它消耗了钠离子，从而永久降低了电池可用能量。

锂离子电池因采用致密石墨负极避免了该问题，但钠无法储存在石墨中。为解决这一难题，德国团队研发出核壳结构负极，将能量存储与保护层形成过程分离。该设计采用海绵状硬碳核实现高存储容量，并覆盖超薄外壳作为分子筛。

铺平钠电池发展之路

费林格表示，钠离子电池无法用单一材料同时实现高容量与高效成膜。“更适合储能的材料在成膜过程中更容易产生损耗，”他解释道。新型外壳允许钠离子自由通过，同时阻隔会引起副反应的大电解质分子，从而使保护层在壳表面可控形成，而非在多孔核内部深处。

这保全了负极的存储容量，并帮助电池在多次充电循环中保持性能。实验室测试中，该负极首次循环库仑效率达82%，相比未涂层硬碳负极仅18%的效率实现大幅提升。

参与该项目的研究员保罗·阿佩尔强调：“将‘化成’（成膜的技术术语）与存储功能分离，可通过独立的材料开发同时提升效率和存储容量。”他指出当前电池研究多集中于正极材料，但其已接近理论极限。“相比之下，负极材料的极限尚不明确，通过先进材料研发实现突破的创新空间更为广阔。”

BAM、亥姆霍兹柏林材料与能源研究中心及柏林洪堡大学的研究团队将在柏林电池实验室继续推进该负极材料的研发。相关成果已发表于《德国应用化学》期刊。

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