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用钠代替电池中的锂

更新时间:2020-07-19 18:58点击:

一个来自NUST MISIS、俄罗斯科学院和Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf的国际科学家团队发现,用钠代替锂(Li)“堆叠”的特殊方式可以用于电池生产。钠电池将比现有的锂电池便宜得多,而且与现有的锂电池相当,甚至更大。研究结果发表在《纳米能源》杂志上。

无论如何强调锂离子电池在现代生活中的作用都不为过。这些电池无处不在:手机、笔记本电脑、照相机,以及各种类型的交通工具和宇宙飞船。锂离子电池于1991年进入市场,并于2019年,其发明者因其对技术发展的革命性贡献而被授予诺贝尔化学奖。与此同时,锂是一种昂贵的碱性金属,其储量在全球范围内有限。目前,还没有远远有效的锂离子电池替代品。由于锂是最轻的化学元素之一,因此很难替代它制造出容量大的电池。

由Arkadiy Krashennikov教授领导的来自NUST MISIS、俄罗斯科学院和Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf的科学家团队提出了一种替代方案。他们发现,如果样品内的原子以某种方式“堆积”,那么除锂外的碱金属也表现出高能量强度。最有希望替代锂的是钠(Na),因为钠原子在双石墨夹层中的双层排列显示了与传统锂离子电池石墨阳极容量相当的阳极容量——约335 mA*h/g,锂为372 mA*h/g。然而,钠比锂更常见,因此更便宜,更容易获得。

堆叠原子的一种特殊方式实际上是把它们一个放在另一个上面。这种结构是通过在高压下将原子从一块金属转移到两片石墨烯之间的空间而产生的,这模拟了充电电池的过程。最后,它看起来就像一个三明治,由一层碳、两层碱金属和另一层碳组成。

NUST MISIS无机纳米材料实验室的研究员Ilya Chepkasov说:“长期以来,人们认为电池中的锂原子只能位于一层,否则系统将会不稳定。尽管如此,我们的德国同事最近的实验表明,通过精心选择方法,在石墨烯层之间创造出稳定的多层锂结构是可能的。这为提高这种结构的能力开辟了广阔的前景。因此,我们对利用计算机模拟研究与其他碱金属(包括钠)形成多层结构的可能性很感兴趣。”

NUST MISIS无机纳米材料实验室和RAS的高级研究员Zakhar Popov说:“我们的模拟显示,锂原子与石墨烯的结合要强得多,但增加锂的层数会导致稳定性下降。而钠的情况则相反——随着钠层数的增加,这种结构的稳定性增加,所以我们希望在实验中得到这种材料。”

研究小组的下一步是创建一个实验样本并在实验室中进行研究。这将在马克斯·普朗克固体研究所处理,斯图加特,德国。如果成功的话,这将导致新一代钠电池的出现,这将大大降低成本,与锂离子电池相当,甚至比锂离子电池更大。