研究称无阳极的钠电池可以减少日常设备的成本和体积

在为新的和改进的电池寻找材料的过程中,钠作为一种廉价和广泛丰富的选择符合一些重要的条件,但使这些实验设计达到预期的速度远不是一项简单的工作。圣路易斯华盛顿大学的一项新设计展示了一种有前景的方法,通过让一层薄薄的铜来完成其中一个电极的作用,从而使电池在不影响性能的情况下,体积明显缩小,生产成本降低。

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一个典型的锂离子电池有两个电极,称为阴极和阳极,当设备充电和放电时,它们将电解质溶液中的离子传递给对方。一段时间以来,科学家们一直在探索金属钠如何能够替代锂,并取得了一些有希望的进展,同时也在探索这些设计如何能够在没有阳极组件的情况下工作。

领导这项研究的白鹏说:“我们使用了旧的化学方法。但问题是,用这种众所周知的化学方法,从来没有人表明这种无阳极的电池可以有一个合理的使用寿命。它们总是很快失败,或者容量很低,或者需要对电流收集器进行特殊处理。”

白鹏和他的团队相信他们已经找到了解决这些缺点的方法,即取消阳极并加入一层薄薄的铜箔来代替。这位于电池电流收集器的阳极一侧,它在电池放电时收集自由电子,并将它们导入被供电的设备。

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当这个实验性电池充电时,离子不是从阴极穿过分离器材料到达阳极,而是将自己镀在铜箔上,变成闪亮、光滑的金属。然后,当电池放电时,材料会溶解掉,离子会返回阴极。

科学家们能够通过一个特制的透明设备实时观察电池性能,这使他们能够发现不稳定性和被称为树枝状的致命结构的形成,这些结构导致电池短路和失效。这使该团队能够做出调整,例如减少电解液中的水含量,以限制与碱金属钠的反应,这通常会导致树枝状结构的产生。

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“电池的所有不稳定性都是在工作过程中积累的,”白鹏说。”真正重要的是动态过程中的不稳定性,而没有任何方法来表征这一点。我们可以清楚地看到,如果你没有很好地控制电解液的质量,你会看到各种不稳定性。

在解决了他们的透明电池中的这些问题后,研究人员能够建立一个适当的无阳极钠电池的工作版本。尽管由于使用钠,成本较低,而且由于消除了阳极,尺寸较小,但他们报告说,该设备的性能与传统的锂离子电池相似。

“我们发现,最小的就是最大的,”白鹏说。“没有阳极就是最好的阳极。”

这项研究发表在《科学进展》杂志上。

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