北京
你有没有想过，为什么有些电池充得慢、用不久，甚至还会起火？最近，一群中国研究人员公布了一个相当激进的设计——一种钠金属电池，不但能在短短4分钟内从零充满，还能在多年使用中保住大部分容量。更关键的是，他们说这个方案绕开了一个困扰电池化学领域很久的棘手难题。
所谓钠金属电池，指的是一类能超快充、结构又稳定的电池。科学家一直把它看作锂离子电池的潜在廉价替代品。今天的锂离子电池不但依赖分布极不均衡的金属资源，而且还容易起火。钠金属电池和钠离子电池也不是一回事：前者用的是金属钠做阳极，而不是石墨或者硬碳。
不过，这件事说起来有点像“画饼”。钠金属电池至今仍然大体停留在理论阶段，因为它特别容易发生一种叫做“枝晶”的老化现象。你可以想象这样一个画面：钠离子穿过电极，逐渐沉积在那种性质活泼、几乎纯金属的钠阳极上，长出一根根尖锐得像钟乳石一样的结构。时间一长，这些东西就会在正极和负极之间搭起一座桥，直接把电池短路。
之所以枝晶问题在钠电池身上更常见，是因为钠本身是一种特别活泼的金属。任何电流通过锂离子电池、钠离子电池，或者钠金属电池时，阳极总会和电解液发生反应，形成一层约10到50纳米厚的氧化物薄膜——也就是所谓的固体电解质界面层。这个厚度大约跟一个很小的病毒差不多宽，一般情况下它没什么危害。问题在于，钠电池在这里就有点“不按常理出牌”：这层界面膜经常裂开，鼓起一些凸起的小包，而这些凸起恰好会吸引钠离子蜂拥而至，最终堆积成枝晶。
现在，研究人员表示，他们用一种坚固的、接近固体的凝胶电解质化解了这个麻烦。他们给这种电解质起名叫Sn‑FB QSE。你可以把它理解成一种半固态的内部骨架：一方面增强了电池对抗穿刺的能力，另一方面又用那种半固体的结构从物理上阻断枝晶的生长路径。相关的研究成果发表在5月21日的《纳微快报》期刊上。
为了确认这种办法到底能撑多久，科学家对电池进行了超过6000个小时的反复充放电测试，结果没有出现枝晶引发的短路现象。他们还特别留意到一道数字：当他们在短短4分钟内把电池从零充到完全充满时，电池依然能保住80.1毫安时每克的电荷容量。这个数字大概相当于当下锂离子电池保电容量的约一半左右。
当然，如果你不那么着急，换一种更缓和的节奏来充——比如用20分钟从零充到满——那么经过2000次完整充放电循环以后，电池还能维持90%的电荷容量。研究人员在论文中指出，这个表现已经可以和锂离子电池的理论上限相提并论。而慢充带来的额外好处也很务实：降低了成本，也改善了安全性。
这件事情之所以值得留意，是因为科学家在实现这一容量表现的同时，充电速度仍然比锂离子电池通常能达到的更快。说这一点有意义，是因为充电速度至今仍是电动汽车电池部署当中一个让人挠头的关键堵点。放眼当下的电动汽车，最快的充电车型也和这个钠金属电池的表现之间存在着肉眼可见的距离。
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