科学家利用270年前的物理效应提升钠离子电池阴极性能

一种让不锈钢锅在高温下具有不粘锅特性的物理效应，如今将为价格更亲民的电池提供动力。

一个由印度、澳大利亚和英国多家研究机构的研究人员组成的合作团队，利用一个已有270年历史的物理学原理，在钠离子电池的阴极内部构建了一条"原子高速公路"。这种方法有助于利用廉价且储量丰富的钠，来建设大规模的能源储存基础设施。

向清洁、绿色经济的转型，依赖于使用锂离子电池来储存太阳能和风能发电厂捕获的可再生能源。这些电池对于从智能手机到电动汽车等设备的能量存储也至关重要。

然而，锂的提取难度大且不环保，这使得其大规模应用在经济和环境上都代价高昂。另一方面，使用像钠这样储量丰富的材料来制造电池，有助于降低成本，并且从长远来看对环境更有利。但钠离子体积较大，可能会堵塞阴极，导致其磨损。为了避免这种情况，科学家们一直在寻找合适的阴极材料。

构建原子高速公路

印度科学教育与研究学院博帕尔分校和印度理工学院甘地纳加尔分校的研究人员，与澳大利亚南昆士兰大学和英国斯旺西大学的同行合作，开发出了一种能够实现钠离子快速、反复移动而不损害其结构的阴极。

"我们决定构建正确的阴极基础设施，一条'原子高速公路'，这样钠离子就能快速通过！"参与此项工作的印度科学教育与研究学院博帕尔分校博士生苏巴吉特·辛哈解释道。

研究人员使用一种名为Na₄Fe₃(PO₄)₂(P₂O₇)的铁基磷酸盐-焦磷酸盐混合物，构建了这种阴极。这种材料自然形成稳定的三维隧道状结构，有助于钠离子的流动。

利用莱顿弗罗斯特效应

然而，研究人员知道，使用纯铁基材料作为阴极会导致导电性和能量传输方面的问题。为了克服这一点，研究人员在混合物中添加了铟。

仅用铟替换百分之一的铁原子，就使研究人员能够增大阴极材料的原子间距。这使得钠离子更容易流动，从而提高了阴极的导电性。

但仅仅改进阴极材料的配方是不够的。研究人员还需要改进他们的材料制造工艺。于是，他们利用了莱顿弗罗斯特效应。

270年前，德国医生约翰·戈特洛布·莱顿弗罗斯特观察到，水滴在过热的金属表面滑行，仿佛没有摩擦力一样。发生这种现象是因为水蒸气在远高于沸点的金属表面形成了一个气垫，使水能够滑行。

这一现象使得不锈钢锅在高温下变得不粘。但研究人员利用这一效应，将阴极材料喷射到金属表面，触发莱顿弗罗斯特效应急剧蒸发。

其结果是形成了熔合的多孔颗粒，这些颗粒被烘烤成粉末，像海绵颗粒一样，能够吸收电解液，使钠离子的传输更顺畅。

这帮助研究人员避免了使用熔炉，使制造过程更加环保，同时确保阴极的晶体结构在数千次循环后仍保持完整。相比之下，标准锂离子电池的寿命为几百次循环。

"优化后的阴极材料表现出约359瓦时/千克的高能量密度，以及卓越的耐用性，在超过10,000次充放电循环中性能稳定，"印度理工学院甘地纳加尔分校副教授拉加万·兰加纳坦在一份新闻稿中说。

该研究成果发表在《Small》期刊上。

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