隨著純電動汽車的普及，以及家用清潔能源存儲的需求不斷上漲，全球研究人員都在尋找可替代鋰離子材料的性能更好的電池，其中鈉離子電池脫穎而出。和鋰相比，鈉的存儲更豐富也成本更低。更重要的是，當(dāng)在高壓（4.5伏）下循環(huán)時，鈉離子電池可以大大新增在給定重量或體積下可以存儲的能量。然而，隨著充放電循環(huán)，其性能下降速度過快，因此無法實現(xiàn)商業(yè)化。

據(jù)外媒報道，美國能源部（DOE）阿貢國家實驗室（ArgonneNationalLaboratory）的研究人員發(fā)現(xiàn)了其性能下降的一個關(guān)鍵原因：在制備陰極材料的步驟中形成的原子結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了缺陷。這些缺陷最終會導(dǎo)致陰極發(fā)生結(jié)構(gòu)性地震，從而導(dǎo)致電池循環(huán)過程中性能下降。了解該原因后，電池開發(fā)人員將能夠調(diào)整合成條件以制造出性能更加優(yōu)越的鈉離子陰極。

：阿貢國家實驗室

取得這一發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵是該團隊依賴阿貢納米材料中心（CNM）和先進光子源（APS）供應(yīng)的專家級科學(xué)能力，這兩個中心都隸屬于美國能源部科學(xué)辦公室用戶設(shè)施。

阿貢大學(xué)化學(xué)科學(xué)和工程部助理化學(xué)家GuiliangXu表示："憑借這些設(shè)施，我們能夠在陰極材料合成過程中實時跟蹤其原子結(jié)構(gòu)的變化。"

在陰極合成過程中，材料制造商將陰極混合物在空氣中緩慢加熱到非常高的溫度，并保持一按時間，然后迅速將溫度降至室溫。

CNM納米科學(xué)家YuziLiu表示："眼見為實。憑借阿貢的一流科學(xué)設(shè)施，我們不必猜測，而是直接可以看到合成過程。"為此，該團隊調(diào)用了CNM的透射電子顯微鏡和APS的同步加速器X射線束（光束線11-ID-C和20-BM）。

研究數(shù)據(jù)顯示，在材料合成過程中迅速降低溫度后，陰極顆粒表面變得不那么光滑，并表現(xiàn)出大面積的應(yīng)變指示。數(shù)據(jù)還顯示，這些區(qū)域的推拉效應(yīng)在陰極循環(huán)過程中發(fā)生，導(dǎo)致陰極顆粒開裂和性能下降。

經(jīng)過進一步研究，該團隊發(fā)現(xiàn)，在高溫（130華氏度）或快速充電（一小時而不是10小時）下循環(huán)陰極時，這種退化會加劇。

阿貢杰出研究員KhalilAmine指出："我們的發(fā)現(xiàn)有關(guān)大規(guī)模制造改進的鈉離子陰極極為重要。由于所涉材料量較大，比如1000公斤，因此會出現(xiàn)很大的溫度變化，除非采取適當(dāng)步驟，否則會形成許多缺陷。"

團隊成員早期的研究使得陽極得到極大改進。Xu表示："我們目前可以將改進的陰陽極相匹配，以實現(xiàn)20%至40%的性能提升。同樣重要的是，這種電池將在高壓長期循環(huán)下保持這種性能。"

此次發(fā)現(xiàn)將會提高電動汽車的續(xù)航里程，并降低電網(wǎng)儲能的成本。