可再生能源和電動(dòng)汽車(chē)的增長(zhǎng)推動(dòng)了先進(jìn)電池的開(kāi)發(fā)，這些電池可以容納更多電量，重量更輕。由于鋰資源有限，科學(xué)家們正在尋找更豐富的電池材料。

　　鈉已成為一種很有前途的電池材料。由于鈉比鋰更便宜、更豐富，因此生產(chǎn)這些電池比鋰電池更便宜、更環(huán)保。此外，理論上鈉可以提供比鋰更高的能量密度。然而，將傳統(tǒng)的鈉電池商業(yè)化一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。一個(gè)創(chuàng)造性的解決方案可能是制造一種沒(méi)有陽(yáng)極的電池。

　　加州大學(xué)圣地亞哥分校和芝加哥大學(xué)的研究人員發(fā)明了世界上第一款無(wú)陽(yáng)極全固態(tài)鈉電池，可用于電動(dòng)汽車(chē)和電網(wǎng)存儲(chǔ)領(lǐng)域。

　　什么是無(wú)陽(yáng)極電池?

　　無(wú)陽(yáng)極電池結(jié)構(gòu)只有一個(gè)電極——富含金屬的陰極，在這種情況下，陰極由鈉制成。陰極連接到金屬集電器。沒(méi)有物理陽(yáng)極。

　　當(dāng)電池充電時(shí)，金屬離子從陰極移動(dòng)并直接沉積在集電器上。然后集電器充當(dāng)臨時(shí)陽(yáng)極，使電池能夠以與金屬離子電池類(lèi)似的方式(從電化學(xué)角度來(lái)說(shuō))放電。

　　無(wú)陽(yáng)極電池結(jié)構(gòu)具有較高的比能、電池電壓和能量密度，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜度較低。它們的重量和成本較低。

　　去除陽(yáng)極是有益的，因?yàn)樗氢c基電池中許多技術(shù)挑戰(zhàn)的根源。

　　克服鈉電池中的陽(yáng)極挑戰(zhàn)

　　鈉電池具有較高的理論能量密度，但其性能仍面臨許多挑戰(zhàn)，特別是倍率性能、庫(kù)侖效率和循環(huán)穩(wěn)定性。

　　問(wèn)題都出在陽(yáng)極上。鈉的原子半徑比鋰大，這導(dǎo)致鈉離子進(jìn)出陽(yáng)極(鈉化和脫鈉過(guò)程)時(shí)的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)較慢。

　　從電池中移除陽(yáng)極可以消除這些插入挑戰(zhàn)。雖然鈉電池、固態(tài)電池和無(wú)陽(yáng)極電池都是獨(dú)立制造的，但到目前為止，它們還沒(méi)有被組合成一個(gè)架構(gòu)。

　　無(wú)鈉陽(yáng)極電池特點(diǎn)

　　芝加哥大學(xué)和加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員創(chuàng)造了一種無(wú)陽(yáng)極鈉全固態(tài)電池，可在數(shù)百次循環(huán)中保持穩(wěn)定循環(huán)。

　　為了制造出電解質(zhì)和集電器之間具有完整界面連接的全固態(tài)電池，研究人員開(kāi)發(fā)了一種包圍電解質(zhì)的集電器。在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，電解質(zhì)覆蓋集電器。

　　研究人員使用一種可以像液體一樣流動(dòng)的鋁粉來(lái)制作集電器。在電池組裝過(guò)程中，一旦粉末沉積并覆蓋電解質(zhì)，就會(huì)在高壓下致密化。致密化過(guò)程會(huì)形成一個(gè)固體集電器，它與電解質(zhì)保持液體般的緊密接觸。

　　鋁集流體還促進(jìn)了與電解質(zhì)的有效固-固接觸，從而實(shí)現(xiàn)了在高電流密度和面積容量下高度可逆的鈉電鍍和剝離。

　　該架構(gòu)利用了鈉電池更高的能量密度，避免了鈉電池的傳統(tǒng)缺陷。隨著技術(shù)的成熟，電池設(shè)計(jì)人員理論上可以實(shí)現(xiàn)比鋰電池更高的能量密度。

　　無(wú)陽(yáng)極電池需要電解質(zhì)和集電器之間有良好的界面接觸。使用液體電解質(zhì)很容易實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，因?yàn)橐后w可以流過(guò)整個(gè)界面。然而，隨著時(shí)間的推移，液體電解質(zhì)會(huì)產(chǎn)生一種稱(chēng)為固體電解質(zhì)界面相的堆積物，從而降低電池的效率。然而，傳統(tǒng)的固態(tài)電解質(zhì)無(wú)法實(shí)現(xiàn)與液體電解質(zhì)相當(dāng)?shù)慕缑娓采w。

　　更可持續(xù)的選擇

　　目前電池中使用的鋰在地殼中的含量?jī)H為約百萬(wàn)分之二十。相比之下，鈉的含量為百萬(wàn)分之二十萬(wàn)，因此對(duì)于現(xiàn)代社會(huì)日益增長(zhǎng)的電池需求而言，鈉是一種更具可持續(xù)性的選擇。

　　鋰礦床也高度集中在世界特定地區(qū)。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(yīng)，其他主要礦床位于北卡羅來(lái)納州、內(nèi)華達(dá)州和澳大利亞。如果地緣政治緊張局勢(shì)加劇，供應(yīng)鏈?zhǔn)芟抻谌蛱囟ǖ貐^(qū)的資源總是處于危險(xiǎn)之中。

　　鋰礦開(kāi)采也會(huì)破壞環(huán)境，因?yàn)殚_(kāi)采方法使用強(qiáng)酸來(lái)分解礦石，而鹽水提取方法會(huì)將大量的水泵到地表進(jìn)行干燥。

　　相比之下，鈉元素普遍存在于海洋和純堿礦中，因此不容易受到地區(qū)壟斷。鈉元素的提取方法也更加環(huán)保，為大規(guī)模電池制造提供了更可持續(xù)的選擇。

　　無(wú)陽(yáng)極電池瞄準(zhǔn)電動(dòng)汽車(chē)和電網(wǎng)存儲(chǔ)

　　這款無(wú)陽(yáng)極鈉電池專(zhuān)為電動(dòng)汽車(chē)和電網(wǎng)存儲(chǔ)而設(shè)計(jì)。它可以制造出更高效、更便宜、更輕的電池，使電動(dòng)汽車(chē)更加環(huán)保、更實(shí)惠、更高效。

　　對(duì)于電網(wǎng)存儲(chǔ)，電池將引領(lǐng)分布式能源資源的開(kāi)發(fā)。美國(guó)每小時(shí)需要 1 太瓦的能源來(lái)維持電網(wǎng)運(yùn)行。隨著脫碳努力的加強(qiáng)，將需要數(shù)百太瓦時(shí)的電池。由于需要更多的電池，鈉這種廉價(jià)而豐富的材料很有吸引力。