在為新的和改進(jìn)的電池尋找材料的過程中，鈉作為一種廉價(jià)和廣泛豐富的選擇符合一些重要的條件，但使這些實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期的速度遠(yuǎn)不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的工作。圣路易斯華盛頓大學(xué)的一項(xiàng)新設(shè)計(jì)展示了一種有前景的方法，通過讓一層薄薄的銅來完成其中一個(gè)電極的作用，從而使電池在不影響性能的情況下，體積明顯縮小，生產(chǎn)成本降低。



一個(gè)典型的鋰離子電池有兩個(gè)電極，稱為陰極和陽極，當(dāng)設(shè)備充電和放電時(shí)，它們將電解質(zhì)溶液中的離子傳遞給對(duì)方。一段時(shí)間以來，科學(xué)家們一直在探索金屬鈉如何能夠替代鋰，并取得了一些有希望的進(jìn)展，同時(shí)也在探索這些設(shè)計(jì)如何能夠在沒有陽極組件的情況下工作。

領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的白鵬說：“我們使用了舊的化學(xué)方法。但問題是，用這種眾所周知的化學(xué)方法，從來沒有人表明這種無陽極的電池可以有一個(gè)合理的使用壽命。它們總是很快失敗，或者容量很低，或者需要對(duì)電流收集器進(jìn)行特殊處理。”

白鵬和他的團(tuán)隊(duì)相信他們已經(jīng)找到了解決這些缺點(diǎn)的方法，即取消陽極并加入一層薄薄的銅箔來代替。這位于電池電流收集器的陽極一側(cè)，它在電池放電時(shí)收集自由電子，并將它們導(dǎo)入被供電的設(shè)備。



當(dāng)這個(gè)實(shí)驗(yàn)性電池充電時(shí)，離子不是從陰極穿過分離器材料到達(dá)陽極，而是將自己鍍?cè)阢~箔上，變成閃亮、光滑的金屬。然后，當(dāng)電池放電時(shí)，材料會(huì)溶解掉，離子會(huì)返回陰極。

科學(xué)家們能夠通過一個(gè)特制的透明設(shè)備實(shí)時(shí)觀察電池性能，這使他們能夠發(fā)現(xiàn)不穩(wěn)定性和被稱為樹枝狀的致命結(jié)構(gòu)的形成，這些結(jié)構(gòu)導(dǎo)致電池短路和失效。這使該團(tuán)隊(duì)能夠做出調(diào)整，例如減少電解液中的水含量，以限制與堿金屬鈉的反應(yīng)，這通常會(huì)導(dǎo)致樹枝狀結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生。



"電池的所有不穩(wěn)定性都是在工作過程中積累的，"白鵬說。"真正重要的是動(dòng)態(tài)過程中的不穩(wěn)定性，而沒有任何方法來表征這一點(diǎn)。我們可以清楚地看到，如果你沒有很好地控制電解液的質(zhì)量，你會(huì)看到各種不穩(wěn)定性。

在解決了他們的透明電池中的這些問題后，研究人員能夠建立一個(gè)適當(dāng)?shù)臒o陽極鈉電池的工作版本。盡管由于使用鈉，成本較低，而且由于消除了陽極，尺寸較小，但他們報(bào)告說，該設(shè)備的性能與傳統(tǒng)的鋰離子電池相似。

“我們發(fā)現(xiàn)，最小的就是最大的，”白鵬說。“沒有陽極就是最好的陽極。”

這項(xiàng)研究發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上。圖片（來源： cnBeta.COM）