近日，一項由英國劍橋大學(xué)與伯明翰大學(xué)科學(xué)工作者共同研發(fā)的鈉電池展現(xiàn)出了高容量、高能量密度與快充電速度的特性，憑借著資源豐富、易獲取的優(yōu)勢，新型鈉電池有望成為鋰電池的廉價替代品。這項研究發(fā)表于著名學(xué)術(shù)期刊《美國化學(xué)會志》(JACS)。
廣泛應(yīng)用于筆記本電腦、手機以及混合動力和全電動汽車，鋰離子電池的應(yīng)用深入日常生活，然而其安全性能欠缺與原料昂貴的特點卻是其發(fā)展過程中的劣勢。
從全球范圍來看，鋰礦的資源分布不均，智利、阿根廷、澳大利亞等國為其主要生產(chǎn)國，鋰原料的價格也相對昂貴。隨著對低排放電動汽車的需求增加，找到更加廉價易得的替代品正是研究人員的一大重點。
金屬鈉是一種與金屬鋰有相似化學(xué)、物理性質(zhì)的材料，優(yōu)勢在于其在地球上豐富的儲量——大量的鈉以離子形式存在于海水中，對人類需求來說基本是用之不竭的。然而，鈉離子較鋰離子更重、更大，不適用于當(dāng)前的常規(guī)電池材料石墨等導(dǎo)電體中。若用鈉替代可充電電池中的鋰，則需要找到其他高容量的電極材料。據(jù)了解，鈉硫電池、鈉鎳電池等鈉離子電池均以其優(yōu)良性能獲得了人們的關(guān)注，但仍都在實驗階段。
在這項實驗中，來自劍橋大學(xué)的Lauren Marbella博士、伯明翰大學(xué)的Clare Grey教授及其研究組則是采用了計算化學(xué)方法，最終采用了磷作為電池材料。
通過在超級計算機上運行量子力學(xué)模型，研究人員嘗試了多種高容量陽極材料，最終發(fā)現(xiàn)以鈉-磷為主體的鈉離子電池展現(xiàn)出了與鋰電池相當(dāng)?shù)男阅堋＝Y(jié)合計算機模型，研究人員通過大量實驗對含有不同成分的電極進(jìn)行了測試，最終確定了最佳表現(xiàn)下電極的成分。在同一重量下，這一電極的載流子容量是石墨的7倍，意味著鈉離子電池實現(xiàn)了高容量的特性。
為進(jìn)一步優(yōu)化這種新型高容量鈉離子電池，研究人員通過量子力學(xué)模型對鈉離子電池充放電的反應(yīng)機理進(jìn)行了深入計算。通過物質(zhì)交換、從頭開始隨機結(jié)構(gòu)搜索和遺傳算法建立的計算模型，研究人員比較確定了這些材料中磷在化學(xué)反應(yīng)中的形態(tài)變化，探明鈉-磷體系中，磷會在充電的中間階段形成螺旋狀。
研究人員表示，實驗與理論相結(jié)合的方法為鈉離子電池的研究提供了分子水平的新思路。
根據(jù)這一結(jié)果，研究人員將繼續(xù)探究不同電極材料在鈉離子電池中的作用，而計算化學(xué)方法的應(yīng)用則為新型電池的合成提供了全新的思路。參與實驗的Andrew Morris博士說:“這是計算材料科學(xué)的巨大勝利。在2016年我們就預(yù)測了磷作為電極的可能性，現(xiàn)在我們能夠與Clare Grey教授的團隊一起，為實驗提供建議，并學(xué)習(xí)如何進(jìn)行更好的預(yù)測。理論和實驗相結(jié)合是多么強大，令人十分驚訝?！?
（李麗旻）
