近年來，鋰電池在儲能領(lǐng)域長時間穩(wěn)居主導(dǎo)地位，幾乎為一切設(shè)備 —— 從智能手機到自動駕駛汽車提供動力。但這種電池卻有著致命缺陷，即易發(fā)生過熱乃至爆炸，并且鋰礦在開采過程中還會嚴(yán)重污染土壤、空氣、河流等。因此在過去的十年中，科學(xué)家們一直致力于研發(fā)出一種更安全更高效的動力選擇以替代鋰電池。

由于鈉元素儲量豐富、分布廣泛，鈉離子電池逐漸被越來越多的科學(xué)家視作大型電能存儲系統(tǒng)的新興選擇。

但目前鈉電池研發(fā)卻遭遇一個棘手問題：鈉陰極（通過電池傳送電子的電極）在高壓下極其不穩(wěn)定。而這一問題的關(guān)鍵就在于科學(xué)家們遲遲未能找到高性能的鈉陰極材料。

這一情況在近日出現(xiàn)了改觀。12 月 8 日，韓國成均館大學(xué)化學(xué)工程師 Ho Seok Park 及其團隊在《應(yīng)用物理評論》雜志上發(fā)表了一項概念驗證研究，表示通過模擬哺乳動物骨骼的特質(zhì)，他們已找到一種鈉陰極生物解決方案，基于此設(shè)計的鈉電池的電容量在經(jīng)過 10000 余次充放電后，依然能夠維持在 91％的水平。

“我們相信大自然為解決技術(shù)問題提供了非常有前景的解決方案，” Park 表示， “因此，我們試圖找到可以解決這些動力學(xué)和穩(wěn)定性局限性的理想架構(gòu)。”

該研究團隊解釋說，哺乳動物骨骼之所以能夠成為電池陰極的參照模型，很大程度上是因為它們具有的雙重質(zhì)地：骨頭的外部大部分是由堅硬的鈣組成，而骨頭的內(nèi)部（骨髓）則呈現(xiàn)海綿狀，多孔柔軟且富有彈性。

“海綿狀骨頭的表面積比致密骨頭的表面積高十倍，” 研究團隊解釋說， “這創(chuàng)造了經(jīng)典的軟硬復(fù)合效果，使骨骼不但可以在壓力下彎曲，同時還可在結(jié)構(gòu)上支撐身體的負(fù)荷?！?/p>

而這樣的結(jié)構(gòu)完整性正是當(dāng)前鈉電池所缺乏的。研究人員選用一種名為 NVP 的多孔元素來模仿骨髓，并使用氧化石墨烯的致密殼模仿骨骼的堅硬鈣外部，從而研發(fā)出了聚陰離子 Na3V2（PO4）3 還原氧化石墨烯復(fù)合材料（BINVP）陰極電池。

與其他陰極材料相比，聚陰離子化合物因具有更好的循環(huán)穩(wěn)定性，更平坦的電壓分布和更強的熱穩(wěn)定性等特性而成為強陰極的候選材料。

在測試新陰極的穩(wěn)定性時，該團隊驚喜地發(fā)現(xiàn)，運用該陰極的鈉離子電池達(dá)到了超高充電速率和超長循環(huán)壽命。首先是電池組能夠在短短 3.6 秒內(nèi)達(dá)到超高的充電速率，其次在 1C 的充電速率下，BI-NVP 可以提供其理論容量的 97％，在 200C 的超高速率下也能夠保持電壓平穩(wěn)。同時，它還顯示出了較長的循環(huán)壽命 —— 在 50C 下進(jìn)行 10000 次循環(huán)后電容量保持率達(dá)到 91％。而鋰電池通常只能持續(xù)進(jìn)行 400 到 1200 次充放電循環(huán)。

并且，具有 BI-NVP 陰極和 Na 金屬陽極的鈉離子電池組將可提供高達(dá) 350 W h kg-1 的最大比能、以及 154 kW kg-1 的最大比功率。研究人員對循環(huán) BI-NVP 進(jìn)行的原位和事后分析（包括拉曼光譜和 XRD 光譜，HRTEM 和 STEM-EELS）證實，其具備高度可逆的膨脹 - 收縮特性，可忽略的電極粉化和穩(wěn)定的 NVPrGO 層界面。

盡管該設(shè)計取得了初步的成功，但研究人員強調(diào)，目前仍然處于概念驗證設(shè)計階段。為了取得長遠(yuǎn)的成功，Park 表示，有必要對該設(shè)計進(jìn)行大規(guī)模的綜合研究，以了解其在更多實際應(yīng)用中的合理性，從而在助力鈉電池取代鋰電池方面發(fā)揮重要作用。

原文標(biāo)題：10000次充放電周期后電容量保持91%！模擬哺乳動物骨骼的鈉電池穩(wěn)定性大幅提高

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