全球首款无阳极钠固态电池

2024-07-10 14:32  来源:芝加哥大学  浏览:  

芝加哥大学圣地亚哥分校的研究人员首次成功设计出无阳极全固态电池的设计原理,堪称世界首创。

加州大学圣地亚哥分校的博士生格雷森·戴舍尔 (Grayson Deysher) 是该团队研究的新论文的第一作者,他说:“尽管之前已经有过钠电池、固态电池和无阳极电池,但到目前为止还没有人能够成功地将这三种想法结合起来。”

为了制造出能量密度可与锂离子电池媲美的钠电池,研究团队需要发明一种新的钠电池结构。

它选择了无阳极电池设计,即移除阳极,将离子直接存储在集电器上的碱金属电化学沉积物中。消除阳极可以减轻重量和体积,提高电池电压,降低电池成本,提高能量密度,但也带来了挑战。

“在任何无阳极电池中,电解质和集电器之间都需要有良好的接触,”Deysher 说。“使用液体电解质时,这通常非常容易,因为液体可以流动到各处并润湿每个表面。固体电解质无法做到这一点。”

然而,液体电解质会产生一种称为固体电解质中间相的堆积物,同时会逐渐消耗活性物质,从而缩短电池的寿命。

加州大学圣地亚哥分校的研究团队采取了一种新颖的方法来解决这个问题。他们没有使用包围集电器的电解质,而是创造了一个包围电解质的集电器。

他们用铝粉(一种可以像液体一样流动的固体)制作出了集电器。

研究人员报告称:“我们发现,铝集流体与固体电解质实现了紧密的固-固接触,这使得在高面积容量和电流密度下实现高度可逆的钠电镀和剥离,而这是以前用传统铝箔无法实现的。”

在电池组装过程中,粉末在高压下致密化,形成固体集电器,同时与电解质保持液体状接触,从而实现低成本、高效率的循环。研究人员报告称,无钠阳极全固态电池全电池已表现出数百次的稳定循环。

Deysher 表示:“钠固态电池通常被视为一种遥远的未来技术,但我们希望这篇论文能够证明钠固态电池确实能够发挥良好作用,在某些情况下甚至比锂电池更好,从而激发人们对钠固态电池领域的更多推动。”

研究人员已通过加州大学圣地亚哥分校创新与商业化办公室为他们的工作申请了专利。他们的研究成果在《自然能源》杂志发表的《实现无阳极钠全固态电池的设计原则》中进行了进一步讨论。

无阳极示意图和能量密度计算。

a)碳阳极、合金阳极和无阳极配置的电池示意图。b)各种钠阳极材料的理论能量密度比较。c)示意图说明了实现无阳极全固态电池的要求。

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