加州大學(xué)圣地亞哥分校的博士生格雷森·戴舍爾 (Grayson Deysher) 是該團(tuán)隊(duì)研究的新論文的第一作者，他說：“盡管之前已經(jīng)有過鈉電池、固態(tài)電池和無陽極電池，但到目前為止還沒有人能夠成功地將這三種想法結(jié)合起來。”

為了制造出能量密度可與鋰離子電池媲美的鈉電池，研究團(tuán)隊(duì)需要發(fā)明一種新的鈉電池結(jié)構(gòu)。

它選擇了無陽極電池設(shè)計(jì)，即移除陽極，將離子直接存儲(chǔ)在集電器上的堿金屬電化學(xué)沉積物中。消除陽極可以減輕重量和體積，提高電池電壓，降低電池成本，提高能量密度，但也帶來了挑戰(zhàn)。

“在任何無陽極電池中，電解質(zhì)和集電器之間都需要有良好的接觸，”Deysher 說。“使用液體電解質(zhì)時(shí)，這通常非常容易，因?yàn)橐后w可以流動(dòng)到各處并潤(rùn)濕每個(gè)表面。固體電解質(zhì)無法做到這一點(diǎn)。”

然而，液體電解質(zhì)會(huì)產(chǎn)生一種稱為固體電解質(zhì)中間相的堆積物，同時(shí)會(huì)逐漸消耗活性物質(zhì)，從而縮短電池的壽命。

加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究團(tuán)隊(duì)采取了一種新穎的方法來解決這個(gè)問題。他們沒有使用包圍集電器的電解質(zhì)，而是創(chuàng)造了一個(gè)包圍電解質(zhì)的集電器。

他們用鋁粉(一種可以像液體一樣流動(dòng)的固體)制作出了集電器。

研究人員報(bào)告稱：“我們發(fā)現(xiàn)，鋁集流體與固體電解質(zhì)實(shí)現(xiàn)了緊密的固-固接觸，這使得在高面積容量和電流密度下實(shí)現(xiàn)高度可逆的鈉電鍍和剝離，而這是以前用傳統(tǒng)鋁箔無法實(shí)現(xiàn)的。”

在電池組裝過程中，粉末在高壓下致密化，形成固體集電器，同時(shí)與電解質(zhì)保持液體狀接觸，從而實(shí)現(xiàn)低成本、高效率的循環(huán)。研究人員報(bào)告稱，無鈉陽極全固態(tài)電池全電池已表現(xiàn)出數(shù)百次的穩(wěn)定循環(huán)。

Deysher 表示：“鈉固態(tài)電池通常被視為一種遙遠(yuǎn)的未來技術(shù)，但我們希望這篇論文能夠證明鈉固態(tài)電池確實(shí)能夠發(fā)揮良好作用，在某些情況下甚至比鋰電池更好，從而激發(fā)人們對(duì)鈉固態(tài)電池領(lǐng)域的更多推動(dòng)。”

研究人員已通過加州大學(xué)圣地亞哥分校創(chuàng)新與商業(yè)化辦公室為他們的工作申請(qǐng)了專利。他們的研究成果在《自然能源》雜志發(fā)表的《實(shí)現(xiàn)無陽極鈉全固態(tài)電池的設(shè)計(jì)原則》中進(jìn)行了進(jìn)一步討論。

無陽極示意圖和能量密度計(jì)算。

a)碳陽極、合金陽極和無陽極配置的電池示意圖。b)各種鈉陽極材料的理論能量密度比較。c)示意圖說明了實(shí)現(xiàn)無陽極全固態(tài)電池的要求。