由于鋰資源在全球范圍內(nèi)逐漸減少，下一代便攜電子設(shè)備將可能不再采用鋰離子電池供電。其中一個(gè)引人注目的潛在替代者便是鈉離子電池，這是因?yàn)殁c元素廉價(jià)、無(wú)毒且儲(chǔ)量豐富。

目前，鈉離子電池最大的缺點(diǎn)之一是電池的充、放電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，同時(shí)緩慢的放電速率不能給大功率設(shè)備輸出足夠的功率密度。一般而言，在充、放電速率和容量之間有一個(gè)權(quán)衡，以便在提高充、放電速率的同時(shí)不會(huì)顯著降低電池容量。

近日由德國(guó)伊爾梅瑙工業(yè)大學(xué)Yong Lei教授領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)新研究發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)期刊》上。該研究在鈉離子電池方面取得了重大的進(jìn)步。研究人員展示了一種鈉離子電池，其充、放電速率和容量達(dá)到了有機(jī)鈉離子電池和鋰離子電池的最大值。這一成果有助于為鈉離子電池在便攜設(shè)備和可穿戴電子產(chǎn)品中的應(yīng)用鋪平道路。

為了提高鈉離子電池性能，研究人員不得不從鈉的最基本性質(zhì)開(kāi)始考慮。通過(guò)測(cè)量鈉和鋰的電化學(xué)勢(shì)可知它們都易失去電子。這意味著它們可以成為很好的陽(yáng)極材料。然而，鈉離子尺寸比鋰離子大了25%。更大的尺寸使鈉離子很難嵌入發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所在的電極晶體結(jié)構(gòu)中。因此鈉離子的移動(dòng)速率就比較慢，這成為了鈉離子電池充、放電速率慢的根源。與該問(wèn)題相關(guān)的還有電荷傳輸速率和材料的穩(wěn)定性也需要提高。

盡管不能減少鈉離子的大小，但可以提高鈉離子嵌入到電極的效率。為了做到這一點(diǎn)，研究人員在擴(kuò)展π-共軛結(jié)構(gòu)電極材料的基礎(chǔ)上采用了分子設(shè)計(jì)策略，進(jìn)一步操縱了這些分子互相鍵合的方式。這種設(shè)計(jì)在物理結(jié)構(gòu)上會(huì)形成由多個(gè)寬間隔的層組成的平臺(tái)結(jié)構(gòu)，層間形成一個(gè)鈉離子可以更快通過(guò)的路徑。這種延伸π-共軛體系同時(shí)也能提高電荷傳輸速率，使充、放電狀態(tài)下的電極更穩(wěn)定，更好地承受鈉離子的快速嵌入和脫出。

結(jié)構(gòu)變化也導(dǎo)致了電池性能的顯著改善。雖然同樣還存在著充放電速率和容量之間的權(quán)衡。但新型鈉離子電池可以在容量高達(dá)72mAh/g時(shí)，比之前報(bào)道的有機(jī)鈉離子電池高1000倍(10A/g對(duì)100mA/g)的電流密度下工作(電流密度是電流充放電速率的一種表征)。

在中等電流密度下(1 A/g)，新型電池的可逆容量達(dá)到令人吃驚的160mAh/g，這一數(shù)值是迄今為止有機(jī)鈉離子電池和鋰離子電池所報(bào)道的最大值之一。

基于這項(xiàng)研究，科學(xué)家們計(jì)劃采用分子設(shè)計(jì)策略和其他創(chuàng)新的方法進(jìn)一步提高電池性能。

Lei說(shuō)：“我們將繼續(xù)專注于鈉離子電池，目前關(guān)于有機(jī)鈉離子電池的報(bào)道很少。因此對(duì)于有機(jī)鈉離子電池的研究還有很長(zhǎng)的路要走。未來(lái)的目標(biāo)包括：1)提高陰極和陽(yáng)極的容量和循環(huán)特性;2)提高陰極和陽(yáng)極的速率特性;3)調(diào)整電化學(xué)勢(shì)使電池達(dá)到合適的輸出電壓;4)發(fā)展環(huán)境友好和低成本材料。”