革命性突破！世界首個無負極鈉固態電池誕生！更便宜、更環保

芝加哥大學普利茲克分子工程學院孟穎（Shirley Meng）教授的能源儲存與轉換實驗室 (LESC) 與加州大學聖地牙哥分校化學與奈米工程系的合作，使得平價、快速充電、高容量的電動汽車和電網儲存電池成為可能。

「雖然之前已經有鈉電池、固態電池和無陽極電池，但直到現在還沒有人能成功地將這三個概念結合起來，」加州大學聖地亞哥分校博士候選人格雷森·戴舍（Grayson Deysher）說，他是概述該團隊工作的新論文的第一作者。

這篇今天發表在《自然能源》（Nature Energy）上的論文展示了一種新型鈉電池結構，可以穩定循環數百次。通過去除陽極並使用廉價、豐富的鈉代替鋰，這種新型電池的生產將更加經濟實惠且環保。通過其創新的固態設計，該電池還將更加安全和強大。

這項工作不僅是科學上的進步，也是填補電池擴大規模的必要步驟，以實現世界經濟脫離化石燃料的轉型。

孟穎教授說：「要讓美國運行一小時，我們必須生產一兆瓦時的能源。為了實現我們去碳化經濟的使命，我們需要數百兆瓦時的電池。我們需要更多的電池，而且需要更快。」

▲ 孟穎教授實驗室研發出新型電池，讓平價、快速充電、高容量的電動車和電網儲存電池成為可能。（Photo by John Zich）

永續發展與鈉

常用於電池的鋰並不常見。它在地殼中的含量約為百萬分之二十，而鈉則為百萬分之二萬。

這種稀缺性，加上筆記型電腦、手機和電動汽車對鋰離子電池的需求激增，導致價格飆升，使得所需的電池變得更遙不可及。

鋰的礦床也很集中。智利、阿根廷和玻利維亞的「鋰三角」擁有全球 75% 以上的鋰供應，其他礦床則分布在澳洲、北卡羅萊納州和內華達州。這使得某些國家在應對氣候變化的去碳化過程中比其他國家更具優勢。

「全球行動需要共同努力，以獲取至關重要的材料。」孟穎教授說。

鋰的提取也會對環境造成破壞，無論是使用工業酸分解礦石，還是更常見的都需要將大量水抽到地表進行乾燥。

鈉在海水和純鹼礦業中很常見，本質上是一種更環保的電池材料。 LESC 的研究也讓它變得更強大。

▲ 加州大學聖地牙哥分校博士候選人 Grayson Deysher 是概述團隊研究成果論文的第一作者。（照片由 David Baillot / 加州大學聖地牙哥分校雅各布斯工程學院提供）

為了製造出具有鋰電池能量密度的鈉電池，研究團隊需要發明一種新的鈉電池架構。

傳統電池在充電時使用負極來儲存離子。當電池使用時，離子從負極流經電解質到達集電器（正極），為設備和汽車提供動力。

無負極電池移除負極，將離子直接儲存在鹼金屬的電化學沉積物上，這種方法可以提高電池電壓、降低電池成本並增加能量密度，但也帶來了挑戰。

「在任何無負極電池中，電解質和集電器之間都需要有良好的接觸，」戴舍說。「使用液態電解質時，這通常很容易實現，因為液體可以流動到各處並潤濕每個表面。而固態電解質無法做到這一點。」

然而，這些液體電解質會形成一種叫做固體電解質界面膜（SEI）的堆積物，同時不斷消耗活性物質，隨著時間的推移降低電池的效用。

▲ 無負極示意圖和能量密度計算。(a) 碳負極、合金負極和無負極結構的電池示意圖。(b) 各種鈉負極材料的理論能量密度比較。(c) 說明實現無負極全固態電池所需條件的示意圖。（圖片由能源儲存與轉換實驗室提供）

研究團隊採用了一種新穎的創新方法來解決這個問題。他們沒有使用包圍集電器的電解質，而是創造了一個包圍電解質的集電器。

他們用鋁粉製造集電器，鋁粉是一種可以像液體一樣流動的固體。

在電池組裝過程中，粉末在高壓下被壓縮成固體集電器，同時保持與電解質的液體接觸，實現低成本和高效率的循環，進而推動這項革命性技術的發展。

「鈉固態電池通常被視為遙不可及的未來技術，但我們希望這篇論文能夠透過展示鈉電池確實可以很好地工作，甚至在某些情況下比鋰電池更好，進而激勵更多人在鈉電池領域的研究。」戴舍說。

最終目標是什麼？孟穎教授設想了一個擁有各種清潔、廉價電池選擇的能源未來，這些電池可以儲存可再生能源，並根據社會需求進行擴展。

孟穎教授和戴舍已透過加州大學聖地牙哥分校的創新和商業化辦公室為他們的工作提交了專利申請。

▲ “Design principles for enabling an anode-free sodium all-solid-state battery,” Deysher et al, Nature Energy, July 3, 2024. DOI: 10.1038/s41560-024-01569-9