為將太陽能和風(fēng)能產(chǎn)生的電能并入電網(wǎng)，管理人員需要就近在太陽能和風(fēng)能發(fā)電廠安裝可大量儲存電能的電池。常見的用于電子消費品和電動汽車上的鋰離子充電電池具有良好的儲電能力，但是由于價格昂貴而無法大量生產(chǎn)和應(yīng)用。鈉離子用于充電電池是另一個最好的選擇，不過目前鈉硫電池運行溫度為300攝氏度，相當于水沸點溫度的3倍，這使得鈉硫電池既不節(jié)能又不安全。而研究人員的目標是要采用廉價的鈉同時使用鋰離子充電電池中的電極。最近，通過對電極材料進行恰當?shù)母邷靥幚?，研究人員開發(fā)出了能提高鈉離子充電電池電能和壽命的方法，從而有望讓鈉離子充電電池成為替代電網(wǎng)中用于大規(guī)模儲存電能的廉價的新途徑。
尋找到新方法的是美國能源部西北太平洋國家實驗室的科學(xué)家和來自中國武漢大學(xué)訪問學(xué)者組成的研究小組。在西北太平洋國家實驗室化學(xué)家劉軍（音譯）和武漢大學(xué)化學(xué)家曹玉良（音譯）的領(lǐng)導(dǎo)下，研究人員利用納米材料制作出了能夠用于鈉離子充電電池的電極。劉軍表示，鈉離子電池使用食鹽中的鈉離子成分并在室溫下工作，這將使得充電電池更為廉價且更加安全。
高溫處理讓電極材料中看又中用
鋰充電電池中的電極由氧化錳材料制成，其材料中原子之間存在許多小孔和通道。當電池在放電或充電時，鋰離子能夠在小孔和通道中穿行。事實上，鋰離子的這種自由運動保證了電池電能的儲存或釋放。不過，簡單地用鈉離子取代鋰離子則無法正常工作，因為鈉離子比鋰離子大70%，它們無法在氧化錳原子間的小孔和通道中自由穿行。
在尋求增大氧化錳材料中原子小孔和通道的途徑時，研究人員將注意力轉(zhuǎn)向了更小的物質(zhì)——具有獨特性能的納米材料。在研究探索中，研究人員將兩種不同種類的氧化錳原子基礎(chǔ)材料混合起來，一種的原子排列成金字塔狀，兩個金字塔結(jié)構(gòu)的基底結(jié)合在一起后形同鉆石；另一種的原子排列為正八面體。他們期望混合材料最終能形成大的S形通道和更小的五邊形通道，以便讓鈉離子通過。為此，研究人員將混合的材料經(jīng)過450攝氏度至900攝氏度的高溫處理，然后分析處理后的結(jié)果，并檢測何種溫度處理效果最佳。利用掃描電子顯微鏡，他們發(fā)現(xiàn)，不同的溫度下獲得的材料的品質(zhì)也不相同。750攝氏度處理后的氧化錳形成了最佳的晶體，溫度低時晶體看上去很古怪，溫度高時晶體成較大的平板狀。
借助美國能源部所屬環(huán)境分子學(xué)實驗室的透射電子顯微鏡，研究人員觀察到，經(jīng)過600攝氏度處理的氧化錳混合物形成的納米導(dǎo)線上有妨礙鈉離子運動的凹坑，750攝氏度處理后的混合物納米導(dǎo)線均勻和透明。
然而，對研究人員而言，即使是最上相的材料，如果不能滿足工作的需要，那么它也只不過是裝飾品。為了解經(jīng)過高溫處理后獲得的氧化錳納米晶體是否既中看又中用，他們將其制成電極放入含有能幫助氧化錳電極形成電流的鈉離子的溶液中，然后不斷地對實驗用電池進行充電和放電測試。
輸出峰值電量大增且可循環(huán)充電
在對用混合氧化錳納米材料為電極的實驗電池進行的放電測試中，研究人員測量到的每克電極材料峰值電量為每小時128毫安，此結(jié)果超過了過去其他研究人員完成的實驗。在以往的實驗中，曾測量到峰值電量為80毫安時的結(jié)果，據(jù)悉，該電池也采用了氧化錳電極，但電極的生產(chǎn)方式不同。研究人員認為，過去實驗出現(xiàn)較低峰值電量的原因是由于鈉離子導(dǎo)致氧化錳結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，而在經(jīng)過高溫處理后的納米氧化錳電極中，氧化錳的結(jié)構(gòu)不會或很少發(fā)生變化。
除輸出高峰值電量外，高溫處理后獲得的氧化錳納米電極材料能夠讓電池保持充/放電循環(huán)能力，這在商業(yè)應(yīng)用中十分重要。研究人員發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過750攝氏度處理獲得的電極材料效果最好，在100次充/放電循環(huán)后，電池電量僅減少7%。而經(jīng)過600攝氏度和900攝氏度處理后的材料，在相同的情況下電量損失率分別為37%和25%。同時，即使是在1000次充/放電循環(huán)后，采用750攝氏度處理后的材料制作電極的電池電量僅比最初的電量下降了23%。對此，研究人員認為此納米電極材料具有良好的工作性質(zhì)。
此外，在對實驗電池以不同速度進行充電的測試中，研究人員注意到充電速度越快，電池能保存的電力越少。這說明充電速度能夠影響電池的儲電能力。在快速充電時，鈉離子并不能以足夠快的速度進入電極通道并將它們填滿。
為解決鈉離子移動速度慢的問題，研究人員設(shè)想今后制作尺寸更小的納米導(dǎo)線來加速充/放電過程。電網(wǎng)中的電池需要快速充電，這樣它們才能夠盡可能地儲存從可再生能源那里獲得的電能。同時，它們也需要具有快速放電的能力，以便滿足電力消費者在打開空調(diào)和電視甚至為電動汽車充電時的需求。
