由于鋰資源在全球范圍內(nèi)逐漸減少，下一代便攜電子設(shè)備將可能不再采用鋰離子電池供電。其中一個引人注目的潛在替代者便是鈉離子電池，這是因為鈉元素廉價、無毒且儲量豐富。

目前，鈉離子電池最大的缺點之一是電池的充、放電時間過長，同時緩慢的放電速率不能給大功率設(shè)備輸出足夠的功率密度。一般而言，在充、放電速率和容量之間有一個權(quán)衡，以便在提高充、放電速率的同時不會顯著降低電池容量。

日前這個由德國伊爾梅瑙工業(yè)大學(xué)Yong Lei教授領(lǐng)導(dǎo)的研究一項新研究發(fā)表在《美國化學(xué)學(xué)會期刊》上。這項研究在鈉離子電池這方面取得了重大的進步。研究人員展示了一種鈉離子電池,其充電、放電速率和容量值達(dá)到了有機鈉離子電池和鋰離子電池的最大值。這一很大提高有助于為鈉離子電池在便攜設(shè)備和可穿戴電子產(chǎn)品中的應(yīng)用鋪平道路。

為了提高鈉離子電池性能，研究人員不得不從鈉的最基本的性質(zhì)開始考慮。通過測量鈉和鋰的電化學(xué)勢可知它們都易失去電子。這意味著它們可以成為很好的陽極材料。然而，鈉離子尺寸比鋰離子大了25%。更大的尺寸使鈉離子很難嵌入發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所在的電極晶體結(jié)構(gòu)中。、因此鈉離子的移動速率就比較慢，這成為了鈉離子電池充、放電速率慢的根源。與該問題相關(guān)的還有電荷傳輸速率和材料的穩(wěn)定性也需要提高。

盡管研究者不能減少鈉離子的大小,但他們可以提高鈉離子嵌入到電極的效率。為了做到這一點,研究人員在擴展π-共軛結(jié)構(gòu)電極材料的基礎(chǔ)上采用了分子設(shè)計策略，進一步操縱了這些分子互相鍵合的方式。這種設(shè)計在物理結(jié)構(gòu)上會形成由多個寬間隔的層組成的平臺結(jié)構(gòu)，層間形成一個鈉離子可以更快通過的路徑。這種延伸π-共軛體系同時也能提高電荷傳輸速率，使充、放電狀態(tài)下的電極更穩(wěn)定，更好地承受鈉離子的快速嵌入和脫出。

結(jié)構(gòu)變化也導(dǎo)致了電池性能的顯著改善。雖然同樣還存在著充放電速率和容量之間的權(quán)衡。但新型鈉離子電池可以在容量高達(dá)72 mAh/g時，可以在比之前報道的有機鈉離子電池高1000倍（10A/g對100mA/g）的電流密度下工作(電流密度是電流充放電速率的一種表征)。

在中等電流密度下（1 A/g）,新型電池的可逆容量達(dá)到令人吃驚的160mAh/g，這一數(shù)值是迄今為止有機鈉離子電池和鋰離子電池所報道的最大值之一。

“這項工作中，我們關(guān)注于分子設(shè)計來提高電池性能，解決目前有機鋰離子電池中快速充放電的問題。” Lei 告訴Phys.org，“通過合理的分子設(shè)計策略，我們證明延伸π-共軛體系是提高速率性能的有效方法，并顯著提高了容量和循環(huán)特性。我們同樣認(rèn)為我們的工作提供了一個由傳統(tǒng)無機材料到有機材料領(lǐng)域擴大尋找新的電極材料的很好的嘗試。在這方面可能會引起更多的關(guān)注。”

基于這項研究,科學(xué)家們計劃采用分子設(shè)計策略和其他創(chuàng)新的方法進一步提高電池性能。

Lei說：“我們將繼續(xù)專注于鈉離子電池，正如論文中所講，目前關(guān)于有機鈉離子電池的報道很少。因此對于有機鈉離子電池的研究還有很長的路要走。未來的目標(biāo)包括：1）提高陰極和陽極的容量和循環(huán)特性；2）提高陰極和陽極的速率特性；3）調(diào)整電化學(xué)勢使電池達(dá)到合適的輸出電壓；4）發(fā)展環(huán)境友好和低成本材料。”