随着电动汽车市场的迅速扩张和智能电网建设的不断加速,储能技术的重要性日益凸显,已成为当前全球科研和产业界最为关注的研究热点之一。

储能电池作为这一领域的关键技术,其性能直接关系到电动汽车的续航里程、充电效率以及智能电网的稳定运行。因此,突破储能电池的技术瓶颈成为目前推动电动汽车和智能电网发展的主要挑战

2024 年 4 月 5 日,科学家在《自然-通讯》(Nature Communications )杂志上发表了一篇关于高能效全固态钠-空气电池的文章,有望通过固态电解质激活电池中不可逆的碳酸盐反应,提高电池的性能。

研究成果发表于《自然-通讯》杂志(图片来源:《自然-通讯》杂志)

钠-空气电池是什么?

钠-空气电池是一种利用金属钠和空气中氧气的化学反应来产生电能的装置。与传统的锂离子电池相比,钠-空气电池具有诸多优势。

首先,钠金属在地球上的储量极为丰富,成本较低。其次,钠-空气电池的能量密度高,能够存储更多的电能,满足人们日益增长的能源需求。此外,钠-空气电池还具有环保、安全等特点,符合未来能源发展的方向。

如何实现钠-空气电池性能提升?

在实际使用过程中,出于成本和便捷性考虑,钠-空气电池的正极通常采用空气作为燃料。电池的正极参与反应的是空气中的氧气。但是空气中与氧气共同存在的二氧化碳和水会在电池反应过程中引起严重的不可逆反应,例如形成碳酸盐和氢氧化物,使电池的性能降低。

基于此,研究者制备了一种新型高效的钠-空气电池,通过在 Na3Zr2Si2PO12 (Nasicon)固体电解质中进行可逆碳酸盐反应,实现高电压窗口、高能量密度和高能量效率。

研究者首先采用固相反应法合成了 Na3Zr2Si2PO12 (Nasicon)固态电解质,然后以镍为空气电极、钠为负极、Nasicon 为固态电解质组装了钠-空气电池。

钠-空气电池的结构(a.钠-空气电池示意图;b,c.正极微观结构;d.正极图片;e.负极图片)(图片来源:参考文献 1)

电化学测试结果表明,钠-空气电池的放电产物与水发生化学反应形成的阴极电解质可以激活碳酸盐的可逆电化学反应,促进动力学反应过程。这得益于碳酸盐反应较小的充放电电位差。此反应过程使得该电池可以获得更高的能量效率

在 70%相对湿度的测试条件下,钠-空气电池的电压平台能够达到 3.4V,高于其他金属-空气电池。

能量密度、库伦效率、能量效率是电池的重要参数。能量密度越大的电池储存的电能越多。库伦效率与电池在充放电过程中的性能衰减息息相关,库伦效率越高的电池性能衰减越少,寿命越长。能量效率与电池电能释放储存的比值正相关,能量效率越高,电能的转化效率越高。

研究表明,该电池可以提供 0.16mAh cm−2 的能量密度,库伦效率可以达到 99%,平均能量效率为 82.1%,表明该电池能够储存更多的电能,具有更长的使用寿命且能够高效地实现电能的储存和释放

此外,碳酸盐的可逆电化学反应一旦经过高相对湿度的条件激活之后,即使在低相对湿度的条件下依然能够得到保持。

钠-空气电池的性能(a-c.70%相对湿度,25℃条件下钠-空气电池的性能;d-f.40%相对湿度,25℃条件下钠-空气电池的性能;g.超氧化物金属-氧气电池与钠-空气电池的对比)(图片来源:参考文献 1)

本研究设计的钠-空气电池的优势在于:无须额外的装置进行气体的纯化和储存,简化了电池的结构,有助于提高金属-空气电池的能量密度;以地球储量丰富的钠为电池材料,可以进一步降低电池的成本。

结语

新能源汽车电池技术的突破无疑为环保事业注入了新的活力,同时也为广大消费者带来了全新的体验。随着科技的不断进步和创新,我们有理由相信,新能源汽车将在性能、安全、智能化等方面实现更大的突破,为消费者提供更加便捷、舒适、绿色的出行方式。让我们共同期待这一天的到来,共同见证新能源汽车产业的辉煌未来!

参考文献

[1]Park, H., Kang, M., Lee, D. et al. Activating reversible carbonate reactions in Nasicon solid electrolyte-based Na-air battery via in-situ formed catholyte[J]. Nature Communications, 2024.

[2]张三佩,温兆银.钠-空气电池研究评述[J].储能科学与技术, 2016.

[3]Faktorovich-Simon E , Natan A , Peled E ,et al.Comparison of the Catalytic Activity of Carbon, Spinel-Based, and Carbide Materials in the Na-Air Battery[J].Frontiers in Materials, 2019.

[4]Sahgong, Sun HyeSenthilkumar, S. T.Kim, et al.Rechargeable aqueous Na-air batteries: Highly improved voltage efficiency by use of catalysts[J].Electrochemistry communications, 2015.

策划制作

出品丨科普中国

作者丨石畅 物理化学博士

监制丨中国科普博览

责编丨何通

审校丨徐来、林林