阿贡国家实验室发现钠离子电池性能缺陷 或可提升EV续航里程

随着纯电动汽车的普及，以及家用清洁能源存储的需求不断上涨，全球研究人员都在寻找可替代锂离子材料的性能更好的电池，其中钠离子电池脱颖而出。与锂相比，钠的存储更丰富也成本更低。更重要的是，当在高压（4.5伏）下循环时，钠离子电池可以大大增加在给定重量或体积下可以存储的能量。然而，随着充放电循环，其性能下降速度过快，因此无法实现商业化。

据外媒报道，美国能源部（DOE）阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）的研究人员发现了其性能下降的一个关键原因：在制备阴极材料的步骤中形成的原子结构中出现了缺陷。这些缺陷最终会导致阴极发生结构性地震，从而导致电池循环过程中性能下降。了解该原因后，电池开发人员将能够调整合成条件以制造出性能更加优越的钠离子阴极。

图片来源：阿贡国家实验室

取得这一发现的关键是该团队依赖阿贡纳米材料中心（CNM）和先进光子源（APS）提供的世界级科学能力，这两个中心都隶属于美国能源部科学办公室用户设施。

阿贡大学化学科学与工程部助理化学家Guiliang Xu表示：“凭借这些设施，我们能够在阴极材料合成过程中实时跟踪其原子结构的变化。”

在阴极合成过程中，材料制造商将阴极混合物在空气中缓慢加热到非常高的温度，并保持一定时间，然后迅速将温度降至室温。

CNM纳米科学家Yuzi Liu表示：“眼见为实。凭借阿贡的一流科学设施，我们不必猜测，而是直接可以看到合成过程。”为此，该团队调用了CNM的透射电子显微镜和APS的同步加速器X射线束（光束线11-ID-C和20-BM）。

研究数据显示，在材料合成过程中迅速降低温度后，阴极颗粒表面变得不那么光滑，并表现出大面积的应变指示。数据还显示，这些区域的推拉效应在阴极循环过程中发生，导致阴极颗粒开裂和性能下降。

经过进一步研究，该团队发现，在高温（130华氏度）或快速充电（一小时而不是10小时）下循环阴极时，这种退化会加剧。

阿贡杰出研究员Khalil Amine指出：“我们的发现对于大规模制造改进的钠离子阴极极为重要。由于所涉材料量较大，比如1000公斤，因此会产生很大的温度变化，除非采取适当步骤，否则会形成许多缺陷。”

团队成员早期的研究使得阳极得到极大改进。Xu表示：“我们目前可以将改进的阴阳极相匹配，以实现20%至40%的性能提升。同样重要的是，这种电池将在高压长期循环下保持这种性能。”

此次发现将会提高电动汽车的续航里程，并降低电网储能的成本。