全球最快超级计算机探秘钠离子电池

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（来源：电力国际汇epintl）

日本研究人员利用超级计算机进行模拟，揭示了钠离子如何在硬碳负极内部形成团簇并迁移，同时明确了控制钠离子电池扩散行为与倍率性能的关键因素——纳米孔尺寸及孔道过渡区域。该研究成果为优化硬碳负极提供了设计指导，有望提升电池的能量密度、循环性能及商业化前景。

日本东京科学研究所的科学家利用超级计算机进行模拟，揭示了钠离子电池中硬碳负极的物理机制。

硬碳是目前先进钠离子电池所采用的关键材料，近年来因钠资源丰富而备受关注。随着这类电池逐步接近商业化，研究人员一直难以解释钠离子在工作温度下如何在硬碳孔隙中形成团簇，以及其整体迁移速率为何仍然迟缓。

通讯作者Che-an Lin向光伏杂志表示：“据我们所知，这是首次通过研究揭示钠离子在硬碳纳米孔中形成团簇的现象，并首次在原子尺度上对钠离子在硬碳中的扩散瓶颈进行了分析与可视化。我们发现钠离子在硬碳大部分区域具有极高的扩散速率，真正阻碍扩散的是石墨烯层间距宽窄过渡区域。这意味着如果能进一步优化硬碳结构，其倍率性能有望获得显著提升。”

Che-an Lin补充道，能量密度是钠离子电池在广泛应用前必须攻克的关键瓶颈。他表示：“目前已有一些公司正在或计划量产钠离子电池，并已推出相关产品。市场上大多数商用钠离子电池聚焦于快速充放电性能和宽工作温度范围，而这两点对锂电池而言颇具挑战。因此，作为锂电池的互补性技术，钠离子电池已展现出令人期待的性能表现。”

领导该研究团队的Yoshitaka Tateyama进一步指出：“钠离子电池的普及最终将提升社会整体的电池供应能力，助力实现碳中和未来。通过整合我们的新发现，这项研究为能够高效储存钠的硬碳材料提供了更清晰的设计指引，从而推动开发性能更优的钠离子电池。”

Tateyama团队利用多台高性能超级计算机完成了此项研究，其中包括位列全球前十的 “富岳” 系统。在这些计算机上，他们运行了基于密度泛函理论的高精度分子动力学模拟，探究了钠离子与石墨烯片层的不同排列方式。

模拟显示，钠离子在纳米孔中早期即从二维吸附态转变为三维准金属团簇态。基于这一现象，研究团队从理论上推导出稳定储存钠的最佳纳米孔径约为1.5纳米。

研究人员在论文中指出：“我们的研究结果为设计兼具高平台容量和良好循环动力学的硬碳负极提供了参考。要获得高平台容量，必须精确调控孔径与孔隙比例。我们证实最佳孔径为1.5纳米，偏离该尺寸会导致钠团簇不稳定。将平均孔径控制在约1.5纳米、且孔径分布范围较窄，有助于实现高平台容量。”

此外，模拟研究还发现，某些被缺陷吸附的钠离子不仅不作为成核位点，反而能通过减弱钠 - 碳相互作用，同时限制后续钠离子在硬碳纳米孔中的可容纳空间，促进钠团簇的形成。研究表明，尽管钠离子在硬碳的连通区域具有局部快速扩散能力，但分支或重连区域会严重阻碍离子迁移。研究人员解释称：“这些较窄的过渡区域会被钠离子阻塞，直到积累足够的排斥力以消除堵塞——这一限速步骤解释了材料整体动力学性能较差的原因。”

上述成果以《揭示硬碳纳米孔中钠团簇形成与钠离子扩散的主导过程：一项DFT-MD 研究》为题，发表于《先进能源材料》期刊。