阿贡开发层状氧化物阴极 有望促进钠离子电池在电动汽车中的应用

盖世汽车讯 电动汽车通常价格相对较高，这主要是由于为车辆提供动力的锂离子电池成本较高。大幅降低电池成本，有助于实现环保且经济实惠的交通解决方案。据外媒报道，美国能源部阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）的研究人员开发出新型阴极材料并为此申请专利。这种材料可以用钠代替锂离子，且成本明显降低。作为电池的主要部件之一，阴极是化学反应的场所，可以产生驱动车辆的电流。

（图片来源：阿贡实验室）

早期的阴极材料是锂镍锰钴（NMC）氧化物，具有原子分层排列结构。这种结构支持锂离子在层体之间轻松插入和脱嵌。因此，这些离子可以自由地从阴极移动至阳极并返回，从而为电池充电和放电。

该团队从早期研究中汲取信息，发明了专为钠离子电池设计的层状氧化物阴极。这种NMC阴极变体是具有层状结构的钠镍锰铁（NMF）氧化物，可有效支持钠的插入和脱嵌。由于这种阴极配方中不含钴，可以减轻由此产生的成本、稀缺性和毒性问题。

研究人员关注钠离子电池，是因其具有诸多优点，如可持续性和成本。钠的天然储量比锂丰富得多，也更容易开采，因此其每公斤成本要低得多，而且更不易受到价格波动或供应链中断的影响。阿贡杰出研究员Christopher Johnson表示：“研究人员估计，钠离子电池的成本比锂离子电池低三分之一。”除了钠之外，这种阴极材料中主要含有铁和锰。这两种元素在全球范围内含量丰富，且不属于稀缺元素。

另外，钠离子电池可以在低于冰点的温度下保持充电能力。这解决了现有锂离子电池的主要缺点之一。另一个有利于钠离子电池发展的因素是，它们的设计与锂离子电池非常相似，可以利用现有的电池管理和制造技术。

但是，研究人员表示这种电池存在一个问题，“金属钠大约比锂重三倍，由此大大增加了电池的重量”，而额外的重量意味着续航距离会缩短。到目前为止，这是阻碍钠离子电池进入电动汽车市场的因素之一。

然而，与其他钠离子技术相比，该团队的阴极具有更高的能量密度，足以为电动汽车提供单次充电约180-200英里的续航里程。Johnson强调，这种钠离子电池可能不会吸引寻求长续航里程的人，但可能适合日常行驶路程较短的城市居民等。早期钠离子电池的另一个缺点是循环寿命短。利用该团队的阴极材料，电池可以进行与锂离子电池相同的充电和放电次数。

现在，研究人员已经从实验室阶段过渡，准备在电池电芯中对这种阴极进行类似实际电动汽车电池的测试，以促进其早日投入制造。该测试将在阿贡国家实验室的电芯分析、建模和原型设计设施（Cell Analysis, Modeling and Prototyping Facility）中进行。该团队还致力于为另外两个主要的电池组件（电解质和阳极）开发不同的材料，以进一步提高能量密度。

这一技术飞跃凸显了阿贡国家实验室致力于开发可持续能源解决方案。钠离子电池可以缓解人们对未来汽车电池低成本元素供应的担忧。另外，钠离子电池还具有其他潜在应用，如存储用于电网的可再生能源。在电网中，电池重量不成问题，可以低温运行也是一个优势。