不论是新能源汽车，仍是太阳能、风能等，在人们操纵这些可再生能源的同时，具有优良机能的可充电电池城市成为存眷的核心话题。与贸易化的锂离子电池比拟，钠基储能电池具有价钱低廉和原料易得的显著优势，是以被等候成为下一代新型储能电池，在可再生能源贮存中力挽狂澜，以实现绿色年夜范围的能量贮存与转化。

近日，《细胞》子刊《化学》在线登载了武汉年夜学化学与份子科学学院传授曹余良研究团队针对高能钠—金属电池的研究进展和成长前景的总结阐述。“我们想为将来该范畴的研究标的目的供给必然的思绪，同时对分歧钠—金属电池的研究也能增进对其他电池系统的理解和研究。”曹余良说。

锂离子电池的“替补队员”

空调遥控器忽然没电？用到一半的手电筒没法发光？望着手中这些用量敏捷耗竭且没法反复操纵的锌锰电池，曹余良索性将几节可充电电池装入槽内。作为一类主要的储能体例，可充电电池在平常糊口中阐扬着难以替换的感化。

锂离子电池就是此中之一。“当对电池进行充电时，锂离子从含锂化合物正极脱出，颠末电解液迁徙到负极。而负极的碳材料呈层状布局，达到负极的锂离子嵌入碳层中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。”曹余良告知《中国科学报》，锂离子电池的比能量高和合用规模广，不但在便携性电子装备范畴占有庞大的市场并逐步利用在电动汽车范畴，在储能方面也极具“后劲”。

但凡事矫枉过正，市场需乞降本钱的快速增加，和锂资本的不平均散布，这些也激发了人们对锂离子电池利用与范围储能范畴的耽忧。

“例如，一辆电动汽车的动力就相当在几万个手电机池的串并联，这些会造成锂和相干材料的用量激增。借使倘使将其用在储能，会进一步加重对锂资本的耽忧，同时可能加倍推高相干材料的价钱，增添电力利用环节的承担。”曹余良介绍，在某种水平上成长高效可再生新能源的一个主要环节就是成长储能系统。是不是可以成长一种锂离子电池的“替补队员”呢？为此，团队将眼光转向了它的“兄弟”——钠。

“钠离子电池和锂离子电池的工作道理类似，并且钠在海洋中无处不在，储量是锂的几千倍，更轻易便宜取得。”曹余良说。不外，因为钠具有更年夜的离子半径和更高的氧化还原电势，比拟在锂离子电池，钠离子电池一般只有较低的能量密度，适合的正负极材料也仍在摸索中，贸易化利用其实不成熟。

正负极材料为什么“钠”么难

针对钠离子电池能量密度较低的窘境，一类低价且高能量的新型钠—金属电池应运而生，固然这离不开各类新型正负极材料的开辟和利用。

论文作者之1、武汉年夜学化学与份子科学学院博士王云晓介绍，这些电池系统中，钠金属被直接用作负极，可实现高达1160 mAh g-1的比容量和低至-2.714 V（相对尺度氢电极电势）的氧化还原电势。而丰硕的O2、温室气体CO2、SO2和单质S都可作为正极材料，从而组成各类钠—金属电池。

“理论上，这些电池系统别离以气态O2、CO2环球体育app最新版下载、SO2或固态S作为正极活性材料；但事实上，正极材料常常需要负载在多孔碳中才可以表示出较高的电化学活性，这些多孔碳基体其实不直接介入电化学反映，而是作为电荷转移的介质和活性材料的载体。”王云晓说，正极材料和放电产品的低导电性是首当其冲的困难。“虽然构建高导电性的正极载体可以必然水平上减缓这一问题，但值得留意的是，分歧的钠—金属电池可能需要分歧的孔尺寸和描摹才能实现较好的电化学机能。”

别的，缓慢的反映动力学和较高的过电势也是一年夜挑战。不外，引入催化剂环球体育官网网站入口多是一种行之有用的提高正极反映活性的方式。另外，下降催化剂尺寸至纳米颗粒、量子点乃至单原子级别可以获得最年夜化的催化活性中间。

王云晓告知记者，分歧的电池系统对应分歧的催化需求。

例如，在Na-O2系统中，催化剂的选择可能取决在其对O2/O2-的亲和性和对电极界面O2-中心体的不变感化，如贵金属和过渡金属氧化物等；在Na-CO2电池系统中，今朝仅报导了一种双金属氧化物具有必然的催化感化，可有用增进不变放电产品Na2CO3产生可逆电化学反映的催化剂仍在寻觅中；在室温Na-S电池中，抱负的催化剂应具有杰出的亲硫性，如许不但可以经由过程化学键合感化实现对多硫化物的固定感化，还可以增进分歧硫物种之间转化的动力学进程。

“钠负极的钝化限制了电池的放电容量，同时充放电进程中的过电势下降了电池的库伦效力。在这一方面，我们仍需要更多的根本研究来揭露负极反映进程。别的，行之有用的按捺钠枝晶的构成和庇护高反映活性的钠金属电极的方式也仍待探讨。”王云晓说，正极和钠负极的电解液相容性的全局斟酌也相当主要。今朝关在钠金属负极和分歧正极之间的研究是相对自力进行的，而全电池的研究相对缺少。

贸易化前景尚不开阔爽朗

除此遍及的正负极材料问题，分歧的钠—金属电池各自也存在分歧的挑战，这为其贸易化利用蒙上了一层暗影。

曹余良介绍，对Na-O2电池，其反映机理尚不明白。为获得更低的过电势和更高的轮回寿命，有用实现Na-O2为首要反映产品的方式仍待研究。另外，对Na-CO2电池的研究也还十分有限，其较低的反映可逆性和较差的轮回性仍亟待解决。“将来的研究可能集中在气态CO2正极的设计和高电压电解液的摸索上。”

基在今朝对Na-SO2电池的研究成果，曹余良暗示，NaAlCl4·2SO2无电机解质的利用对实现Na-SO2电池的长轮回、不变性和平安性相当主要。研究可替换不不变的钠金属的负极材料、反映机制如充放电进程中较年夜的电压滞后和充电进程中具体的反映路径、新的有电机解质系统，特殊是凝胶和固态电解质的研究对Na-SO2电池的成长都是亟待解决的问题。

荣幸的是，对室温钠硫电池，电化学机能已获得冲破性进展，但是其感化机制也尚不明白。“硫电极在分歧电解液系统中的电化学行动研究十分匮乏，硫在醚类和碳酸酯类电解液中的表示也仍缺少使人佩服的注释。是以，摸索反映进程中复杂的反映机理的原位检测手艺十分需要。”他说。

曹余良认为，虽然钠—金属电池的贸易化前景尚不开阔爽朗，但其高能量密度和低本钱优势在钠离子电池家族中仍表示出较强的竞争力。将来团队将出力展开金属钠负极的庇护和优化。对正极材料，研究将重点放在空气和固态硫电极上，同时成长非燃电解液系统，晋升金属钠电池的平安机能。

“我们但愿能在钠空气和钠硫电池标的目的获得冲破性进展，为新型储能电池的将来市场供给更多有益选择。”曹余良说。

相干论文信息：https://doi.org/10.1016/j.chempr.2019.05.026

《中国科学报》 (2019-07-0环球app体育8 第7版 能源化工)