新型鈉離子電解質(zhì)能否用于固態(tài)電池？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-05-29 11:31
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電解質(zhì)是電池的三個主要部分之一，負(fù)責(zé)在固態(tài)電池中轉(zhuǎn)移帶電離子。一旦電池的另外兩個部分(陽極和陰極)連接在電路中，這就產(chǎn)生電流。
智能手機(jī)，計算機(jī)和其他消費(fèi)電子產(chǎn)品中的大多數(shù)可充電電池使用液態(tài)鋰基電解質(zhì)。
“液體電解質(zhì)存在安全問題，因?yàn)樗鼈円兹迹?rdquo;賓夕法尼亞州機(jī)械工程副教授王東海說。“這一直是我們尋找用于固態(tài)電池的良好材料的驅(qū)動力。”
該團(tuán)隊(duì)的新材料由鈉，磷，錫和硫組成，具有四方晶體形狀。它有缺陷，或某些鈉，錫和硫原子的空間，這些允許它轉(zhuǎn)移離子。
因?yàn)殁c比鋰更豐富，鈉離子電池的生產(chǎn)成本可能比鋰離子電池便宜得多。該材料使用起來也更安全。
“我們的材料具有寬電壓窗口和高熱穩(wěn)定性，”賓夕法尼亞州立大學(xué)機(jī)械和核工程博士后研究員趙兆新說。“當(dāng)你將液體電解質(zhì)加熱到150攝氏度(302華氏度)時，它們會著火或釋放出大量熱量，可能會損壞其他電池或電子元件。我們的材料可以達(dá)到400攝氏度(752華氏度) “。
該團(tuán)隊(duì)報告納米能源，他們的材料的室溫離子電導(dǎo)率約為當(dāng)今電池中液體電解質(zhì)的十分之一。他們說，重要的發(fā)現(xiàn)是晶體結(jié)構(gòu)中缺陷的具體配置。
賓夕法尼亞州立大學(xué)材料科學(xué)與工程研究教授尚順利表示：“我們對這種材料新結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)也向我們展示了創(chuàng)造一系列先進(jìn)鈉離子超離子導(dǎo)體的途徑。”
該團(tuán)隊(duì)在Wang的實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)建并測試了這種新電池，該實(shí)驗(yàn)室是賓夕法尼亞州電池和儲能技術(shù)中心的一部分。通過他們的協(xié)作設(shè)計過程，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)能夠確定不同的晶體形成以及材料的不一致性如何影響其性能。鋰離子電池主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動來工作。充電時，鋰離子從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極；放電時則相反。形象地說，鋰離子電池就像一把搖椅，搖椅的兩端為電池的兩極，而鋰離子則在搖椅兩端來回“奔跑”。
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、環(huán)境污染的日益加劇、不可再生的能源資源不斷消耗，人類社會迫切需要提高能源的利用效率，開拓新能源和可再生能源，而這些均離不開電化學(xué)儲能電池。
傳統(tǒng)的以有機(jī)溶劑為電解液的鋰離子電池雖然具有能量密度高的優(yōu)勢，但存在安全性較低和成本較高的問題。與之相比，水系離子電池具有價格低廉、無環(huán)境污染且安全性高等優(yōu)點(diǎn)，在電網(wǎng)級別的大規(guī)模儲能領(lǐng)域具有潛在的重要前景。
由于鈉資源相對豐富，鈉離子水系電池被認(rèn)為是下一代水系二次電池的理想選擇。目前，美國的aquionenergy和alveoenergy兩家公司正在積極開發(fā)基于鈉離子水系電池的儲能系統(tǒng)，而中國在這方面研究不足。
中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研制的新型水系鋰鈉混合離子電池，可謂鈉離子電池家族中增添的一支新軍。
該類電池的一極采用選擇性嵌入/脫嵌鋰離子的化合物為活性材料，而另一極則選用選擇性嵌入/脫嵌鈉離子的化合物作為活性材料，同時以鋰鈉混合離子水溶液作為電解質(zhì)。
與傳統(tǒng)鋰離子電池“搖椅式”的工作原理不同，該類電池在充放電過程中，鋰離子和鈉離子分別僅在電池的一極與電解液之間移動。得益于這種獨(dú)特的工作原理，該類電池不但能儲存電能，而且還具有分離金屬離子的功能，可謂“一舉兩用”。
鋰鈉混合離子電池的美妙之處在于其雙功能性。鋰和鈉在元素周期表中屬同族元素，它倆化學(xué)性質(zhì)相似，難以分離。
現(xiàn)有的分離技術(shù)多采用化學(xué)方法，需要大量的na2co3、alcl3或錳氧化物等化學(xué)試劑，耗時、成本高和環(huán)境不友好。
采用鋰鈉混合離子電池技術(shù)即可在儲存和釋放電能的同時又分離鋰、鈉離子。這種分離技術(shù)與現(xiàn)有其他化學(xué)方法相比，更為高效和綠色，因而其在大規(guī)模分離?；螓u水中的鋰、鈉元素方面具有重要應(yīng)用前景。
電化學(xué)儲能有望成為21世紀(jì)具有持續(xù)、爆炸式發(fā)展?jié)摿Φ男屡d產(chǎn)業(yè)?；阝c離子電池的儲能技術(shù)很可能是未來最重要的儲能技術(shù)之一。
鋰離子電池的發(fā)展導(dǎo)致全世界對鋰資源的需求日益增加。據(jù)統(tǒng)計，至2012年，世界上83%的鋰是從?；螓u水中提取的，因此發(fā)展新型有效的分離技術(shù)迫在眉睫。
