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倫敦帝國理工學(xué)院（Imperial College London）的研究人員開發(fā)出一種新技術(shù)，可以使更可持續(xù)的鈉離子電池取代鋰離子電池。通過從造紙工業(yè)的廢棄副產(chǎn)品木質(zhì)素中制備碳，研究人員提高了鈉離子電池的能量密度、可持續(xù)性和安全性。研究成果已發(fā)表于期刊《Energy and Environmental Science》，可在全球向更清潔能源的過渡中發(fā)揮重要作用。


取代鋰離子電池

鋰離子電池通常用于眾多電氣設(shè)備，但隨著全球鋰資源迅速減少，以及采礦作用中產(chǎn)生大量碳排放，市場(chǎng)開始尋求更加可持續(xù)的替代解決方案。而鈉離子電池經(jīng)優(yōu)化就可以作為替代品，并應(yīng)用于電動(dòng)汽車。然而，目前的鈉離子電池還不能與鋰離子電池的能量容量相比，且存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。

提高電池能量容量的關(guān)鍵在于負(fù)責(zé)提供能量存儲(chǔ)功能的負(fù)極的材料及其設(shè)計(jì)。盡管理論上，鈉陽極具有超高容量，但仍需要進(jìn)一步的研究來釋放由金屬鈉陽極制成的電池的潛力，并解決因該材料具有的高反應(yīng)性所帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)。

為應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，化學(xué)工程系的Titirici小組采用鈉沉積木質(zhì)素衍生的碳?jí)|代替鈉電池中的大塊金屬，進(jìn)而開發(fā)出一種解決方案。

該論文通訊作者M(jìn)agda Titirici教授表示：“非常開心可以看到在電池領(lǐng)域中使用木質(zhì)素的新機(jī)遇，該材料對(duì)于開發(fā)全新納基技術(shù)也極具潛力。而通過采用納基技術(shù)，我們可以打造出高性能、安全和更可持續(xù)的電池，進(jìn)而徹底改變電動(dòng)汽車領(lǐng)域。”

在這項(xiàng)研究中，木質(zhì)素墊由名為“靜電紡絲”的工藝產(chǎn)生，其中木質(zhì)素纖維的紡紗方式類似于蜘蛛在自然界中織網(wǎng)的方式。隨后，纖維會(huì)被碳化以在材料結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生許多缺陷，從而使金屬鈉（負(fù)責(zé)能量存儲(chǔ)的元素）能夠更加均勻和穩(wěn)定地沉積，進(jìn)而增加能量容量。


通過將金屬鈉與特制的基于木質(zhì)素的碳相結(jié)合，可以保留和利用能量容量?jī)?yōu)勢(shì)，同時(shí)降低因枝晶堆積引起的電池短路安全風(fēng)險(xiǎn)。與其他方法相比，該過程碳化木質(zhì)素所需的熱量更少，進(jìn)一步減少了制造過程中的碳足跡。

未來計(jì)劃

鈉離子電池在能源領(lǐng)域顯示出巨大的前景，但迄今為止，其能量容量仍十分有限，無法實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。此次研發(fā)的新技術(shù)可以使鈉離子電池在更多領(lǐng)域取代鋰離子電池，如電動(dòng)汽車等大型產(chǎn)品。

合著者Zhen Xu表示：“我們的研究表明鈉離子電池在可持續(xù)能源未來將發(fā)揮重要作用。目前，我們希望與工業(yè)界合作，實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模技術(shù)開發(fā)，并探索新的鈉離子電池應(yīng)用。”研究團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)微調(diào)該技術(shù)，采用不同電芯進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并開展進(jìn)一步的研發(fā)。

原標(biāo)題：倫敦帝國理工學(xué)院發(fā)明新技術(shù) 助力鈉離子電池取代鋰離子電池