隨著電動汽車市場的迅速擴張和智能電網建設的不斷加速，儲能技術的重要性日益凸顯，已成為當前全球科研和產業界最為關註的研究熱點之一。
儲能電池作為這一領域的關鍵技術，其效能直接關系到電動汽車的續航裏程、充電效率以及智能電網的穩定執行。因此，突破儲能電池的技術瓶頸成為目前推動電動汽車和智能電網發展的主要挑戰。
2024 年 4 月 5 日，科學家在【自然-通訊】（Nature Communications ）雜誌上發表了一篇關於高能效全固態鈉-空氣電池的文章，有望透過固態電解質啟用電池中不可逆的碳酸鹽反應，提高電池的效能。
研究成果發表於【自然-通訊】雜誌（圖片來源：【自然-通訊】雜誌）
鈉-空氣電池是什麽？
鈉-空氣電池是一種利用金屬鈉和空氣中氧氣的化學反應來產生電能的裝置。與傳統的鋰離子電池相比，鈉-空氣電池具有諸多優勢。
首先，鈉金屬在地球上的儲量極為豐富，成本較低。其次，鈉-空氣電池的能量密度高，能夠儲存更多的電能，滿足人們日益增長的能源需求。此外，鈉-空氣電池還具有環保、安全等特點，符合未來能源發展的方向。
如何實作鈉-空氣電池效能提升？
在實際使用過程中，出於成本和便捷性考慮，鈉-空氣電池的正極通常采用空氣作為燃料。電池的正極參與反應的是空氣中的氧氣。但是空氣中與氧氣共同存在的二氧化碳和水會在電池反應過程中引起嚴重的不可逆反應，例如形成碳酸鹽和氫氧化物，使電池的效能降低。
基於此，研究者制備了一種新型高效的鈉-空氣電池，透過在 Na 3 Zr 2 Si 2 PO 12 (Nasicon) 固體電解質中進行可逆碳酸鹽反應，實作高電壓視窗、高能量密度和高能量效率。
研究者首先采用固相反應法合成了 Na 3 Zr 2 Si 2 PO 12 (Nasicon)固態電解質，然後以鎳為空氣電極、鈉為負極、Nasicon 為固態電解質組裝了鈉-空氣電池。
鈉-空氣電池的結構（a.鈉-空氣電池示意圖；b,c.正極微觀結構；d.正極圖片；e.負極圖片）（圖片來源：參考文獻 1）
電化學測試結果表明，鈉-空氣電池的放電產物與水發生化學反應形成的陰極電解質可以啟用碳酸鹽的可逆電化學反應，促進動力學反應過程。這得益於碳酸鹽反應較小的充放電電位差。此反應過程使得該電池可以獲得更高的能量效率。
在 70%相對濕度的測試條件下，鈉-空氣電池的電壓平台能夠達到 3.4V，高於其他金屬-空氣電池。
能量密度、庫倫效率、能量效率 是電池的重要參數。能量密度越大的電池儲存的電能越多。庫倫效率與電池在充放電過程中的效能衰減息息相關，庫倫效率越高的電池效能衰減越少，壽命越長。能量效率與電池電能釋放儲存的比值正相關，能量效率越高，電能的轉化效率越高。
研究表明，該電池可以提供 0.16mAh cm −2 的能量密度，庫倫效率可以達到 99%，平均能量效率為 82.1%，表明 該電池能夠儲存更多的電能，具有更長的使用壽命且能夠高效地實作電能的儲存和釋放。
此外，碳酸鹽的可逆電化學反應一旦經過高相對濕度的條件啟用之後，即使在低相對濕度的條件下依然能夠得到保持。
鈉-空氣電池的效能（a-c.70%相對濕度，25℃條件下鈉-空氣電池的效能；d-f.40%相對濕度，25℃條件下鈉-空氣電池的效能；g.超氧化物金屬-氧氣電池與鈉-空氣電池的對比）（圖片來源：參考文獻 1）
本研究設計的鈉-空氣電池的優勢在於：無須額外的裝置進行氣體的純化和儲存，簡化了電池的結構，有助於提高金屬-空氣電池的能量密度；以地球儲量豐富的鈉為電池材料，可以進一步降低電池的成本。
結語
新能源汽車電池技術的突破無疑為環保事業註入了新的活力，同時也為廣大消費者帶來了全新的體驗。隨著科技的不斷進步和創新，我們有理由相信，新能源汽車將在效能、安全、智能化等方面實作更大的突破，為消費者提供更加便捷、舒適、綠色的出行方式。讓我們共同期待這一天的到來，共同見證新能源汽車產業的輝煌未來！
參考文獻
[1]Park, H., Kang, M., Lee, D. et al. Activating reversible carbonate reactions in Nasicon solid electrolyte-based Na-air battery via in-situ formed catholyte[J]. Nature Communications, 2024.
[2]張三佩,溫兆銀.鈉-空氣電池研究評述[J].儲能科學與技術, 2016.
[3]Faktorovich-Simon E , Natan A , Peled E ,et al.Comparison of the Catalytic Activity of Carbon, Spinel-Based, and Carbide Materials in the Na-Air Battery[J].Frontiers in Materials, 2019.
[4]Sahgong, Sun HyeSenthilkumar, S. T.Kim, et al.Rechargeable aqueous Na-air batteries: Highly improved voltage efficiency by use of catalysts[J].Electrochemistry communications, 2015.
策劃制作
出品丨科普中國
作者丨石暢 物理化學博士
監制丨中國科普博覽
責編丨何通
審校丨徐來、林林
