鋰離子電池無處不在，不僅用于耳機、手機和汽車，還在儲存可再生能源的大型設施中發揮重要作用。然而，鋰本身相對稀缺，只存在于少數幾個國家。一個基于可再生能源的世界需要的電池容量是目前的200倍，這可能意味著需要一種不同的電池。美國芝加哥大學的電池化學家Y. Shirley Meng說：“我不知道僅靠鋰離子能否實現這一目標。”

一種有幾十年歷史的技術或許能夠應對這一挑戰，即用鈉離子而非鋰離子攜帶和儲存電荷的電池。鈉在海水和鹽礦中隨處可見，因此供應和成本都不是問題。但鈉在儲存電能方面不如鋰，因為鈉離子比鋰離子大3倍，這限制了它們進出現有電池電極的能力。全球實驗室正在開發新的電極材料來解決這一問題。過去6個月中，已有幾個團隊宣布他們研發的鈉電池的儲能與低端鋰電池相當。美國哥倫比亞大學的電池化學家Dan Steingart說：“這種進步令人驚嘆。”商用鈉離子電池也開始應用于電動汽車、踏板車和電網儲能。

不過，研究人員指出，鈉離子電池廣泛應用還無法實現。“我們還沒有進入那個階段。”法蘭西公學院的固態化學家Jean-Marie Tarascon說，這些電池的性能仍遠不及最好的鋰離子電池。而且目前缺乏使用鈉離子電池的動力：鋰短缺仍是一個理論上的擔憂，而且由于供應過剩，鋰的價格在過去3年中實際下降了70%。

鈉離子電池的工作原理與鋰電池一樣。由于鈉離子比鋰離子大，因此能擠進陽極的鈉離子數量較少。這就需要更大的電池來儲存相同的電量，從而增加了成本和體積。鈉電池的存儲容量甚至不到最好的鋰電池的一半，后者每公斤可存儲300瓦時以上的能量。但美國阿貢國家實驗室的電池化學家Gui-Liang Xu說：“我們有多種途徑可以應對這一挑戰。”

一種方法是改變陽極成分。大多數鋰離子電池使用石墨，這是一種碳，其緊密的層狀結構往往會排斥鈉離子。許多研究人員轉而使用另一種形式的碳——硬碳，后者由雜亂的碳顆粒組成，從而給鈉離子留下了孔隙。

不幸的是，這些孔隙也會減少陽極的儲能容量。但研究人員發現，在陽極中加入錫可以解決這一問題。在碳基質上，每個錫原子可以結合3.75個鈉離子，從而提高陽極儲存鈉的能力，進而提高儲能。

另一種改進方法是調整帶正電荷的陰極成分，從而使鈉更好地儲存和流動。其中一種最受歡迎的新材料是鈉、釩、磷和氧的混合物(NaVPO)，后者能形成層狀結構，使鈉原子輕松進出。

目前，與鋰離子電池的陰極相比，NaVPO的能量密度適中，但美國休斯敦大學化學家Pieremanuele Canepa領導的研究團隊利用計算機建模和X射線衍射技術，確定了一種優化NaVPO晶體結構的方式。Canepa和同事2024年10月23日在《自然-材料》報告稱，他們不僅合成了這種新材料，還將其應用于鈉離子電池陰極，可比之前的NaVPO設計多儲存15%的能量。

另一種更激進的方法是用有機化合物制造陰極，這些化合物也能形成存儲和釋放鈉離子的層狀結構。許多有機物在電池電解質中會分解，但在2月5日出版的《美國化學會志》上，美國麻省理工學院的Mircea Dinca研究團隊報告稱，他們創造了一種更耐用的層狀有機陰極，名為TAQ，不僅在數千次充放電中保持穩定，而且能量密度在鈉離子陰極中也是最高的。Canepa稱其為“化學的杰作”。

此外，鈉電池面臨的障礙不僅僅是技術上的。Steingart說，目前鋰的低成本削弱了鈉的主要賣點。鈉離子電池制造商仍然太少，無法從規模經濟中獲益。

美國斯坦福大學的材料科學家William Chueh說，鈉離子電池的成本效益將取決于技術進步。1月13日，他和同事在《自然-能源》發表了一篇論文，評估了生產鈉離子電池的6000多種路線圖，發現要想與低成本的鋰離子電池競爭，研究人員需要取得幾項突破，包括放棄鈉離子電池目前所需的昂貴材料，如鎳和釩。

Steingart相信這些進步即將到來。他說，關于鈉離子電池的基本化學原理的研究，“我們仍處于早期階段”。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41560-024-01701-9

https://doi.org/10.1021/jacs.4c17713

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