锂电池“平替”？这种电池越来越给力

编译 ｜ 赵宇彤

锂离子电池无处不在，不仅用于耳机、手机和汽车，还在储存可再生能源的大型设施中发挥重要作用。然而，锂本身相对稀缺，只存在于少数几个国家。一个基于可再生能源的世界需要的电池容量是目前的200倍，这可能意味着需要一种不同的电池。美国芝加哥大学的电池化学家Y. Shirley Meng说：“我不知道仅靠锂离子能否实现这一目标。”

美国俄克拉荷马州一个设施的盐堆证明，钠并不缺乏。图源：JIM WEST/REPORT DIGITAL-REA VIA REDUX

一种有几十年历史的技术或许能够应对这一挑战，即用钠离子而非锂离子携带和储存电荷的电池。钠在海水和盐矿中随处可见，因此供应和成本都不是问题。但钠在储存电能方面不如锂，因为钠离子比锂离子大3倍，这限制了它们进出现有电池电极的能力。全球实验室正在开发新的电极材料来解决这一问题。过去6个月中，已有几个团队宣布他们研发的钠电池的储能与低端锂电池相当。美国哥伦比亚大学的电池化学家Dan Steingart说：“这种进步令人惊叹。”商用钠离子电池也开始应用于电动汽车、踏板车和电网储能。

不过，研究人员指出，钠离子电池广泛应用还无法实现。“我们还没有进入那个阶段。”法兰西公学院的固态化学家Jean-Marie Tarascon说，这些电池的性能仍远不及最好的锂离子电池。而且目前缺乏使用钠离子电池的动力：锂短缺仍是一个理论上的担忧，而且由于供应过剩，锂的价格在过去3年中实际下降了70%。

钠离子电池的工作原理与锂电池一样。由于钠离子比锂离子大，因此能挤进阳极的钠离子数量较少。这就需要更大的电池来储存相同的电量，从而增加了成本和体积。钠电池的存储容量甚至不到最好的锂电池的一半，后者每公斤可存储300瓦时以上的能量。但美国阿贡国家实验室的电池化学家Gui-Liang Xu说：“我们有多种途径可以应对这一挑战。”

一种方法是改变阳极成分。大多数锂离子电池使用石墨，这是一种碳，其紧密的层状结构往往会排斥钠离子。许多研究人员转而使用另一种形式的碳——硬碳，后者由杂乱的碳颗粒组成，从而给钠离子留下了孔隙。

不幸的是，这些孔隙也会减少阳极的储能容量。但研究人员发现，在阳极中加入锡可以解决这一问题。在碳基质上，每个锡原子可以结合3.75个钠离子，从而提高阳极储存钠的能力，进而提高储能。

另一种改进方法是调整带正电荷的阴极成分，从而使钠更好地储存和流动。其中一种最受欢迎的新材料是钠、钒、磷和氧的混合物（NaVPO），后者能形成层状结构，使钠原子轻松进出。

目前，与锂离子电池的阴极相比，NaVPO的能量密度适中，但美国休斯敦大学化学家Pieremanuele Canepa领导的研究团队利用计算机建模和X射线衍射技术，确定了一种优化NaVPO晶体结构的方式。Canepa和同事2024年10月23日在《自然-材料》报告称，他们不仅合成了这种新材料，还将其应用于钠离子电池阴极，可比之前的NaVPO设计多储存15%的能量。

另一种更激进的方法是用有机化合物制造阴极，这些化合物也能形成存储和释放钠离子的层状结构。许多有机物在电池电解质中会分解，但在2月5日出版的《美国化学会志》上，美国麻省理工学院的Mircea Dinca研究团队报告称，他们创造了一种更耐用的层状有机阴极，名为TAQ，不仅在数千次充放电中保持稳定，而且能量密度在钠离子阴极中也是最高的。Canepa称其为“化学的杰作”。

此外，钠电池面临的障碍不仅仅是技术上的。Steingart说，目前锂的低成本削弱了钠的主要卖点。钠离子电池制造商仍然太少，无法从规模经济中获益。

美国斯坦福大学的材料科学家William Chueh说，钠离子电池的成本效益将取决于技术进步。1月13日，他和同事在《自然-能源》发表了一篇论文，评估了生产钠离子电池的6000多种路线图，发现要想与低成本的锂离子电池竞争，研究人员需要取得几项突破，包括放弃钠离子电池目前所需的昂贵材料，如镍和钒。

Steingart相信这些进步即将到来。他说，关于钠离子电池的基本化学原理的研究，“我们仍处于早期阶段”。