NSF資助的研究探索鈉離子電池的潛力

鋰離子電池為智能手機(jī)和平板電腦、筆記本電腦和電動(dòng)汽車(chē)供電。但銀色金屬鋰并不那么容易獲得，這將使其成為電網(wǎng)儲(chǔ)能等大規(guī)模運(yùn)營(yíng)成本高昂的選擇。

鈉離子電池是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且有前途的替代品。畢竟，鈉鹽并不罕見(jiàn)。地球的海洋充滿(mǎn)了它。

“它非常便宜，而且比鋰豐富得多，”化學(xué)助理教授 Hao Liu解釋說(shuō)，他今年春天因?qū)︹c離子電池的研究獲得了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)頒發(fā)的 559,276 美元的CAREER 獎(jiǎng)。

這種類(lèi)型的電池對(duì)于不斷增長(zhǎng)的可再生能源部門(mén)來(lái)說(shuō)尤其是一個(gè)福音，因?yàn)榘l(fā)電的力量是間歇性的。

“太陽(yáng)并不總是照耀著，風(fēng)也并不總是在吹，這需要更大規(guī)模的能量?jī)?chǔ)存，”劉說(shuō)。

在元素周期表上，鈉位于鋰的正下方，這意味著它們是堿金屬族的成員，具有許多共同特征。由它們制成的電池也是如此，盡管也存在差異。

可充電電池依賴(lài)于嵌入反應(yīng)，其中離子從構(gòu)成電極的層中插入或移除。然而，由于鈉離子在物理上比鋰離子大，因此在使用過(guò)程中去除離子時(shí)，這些層更容易塌陷，從而損害電池的結(jié)構(gòu)完整性。充電幾次后，電池開(kāi)始失去存儲(chǔ)容量。

他解釋說(shuō)，這是一個(gè)劉希望通過(guò)結(jié)構(gòu)支柱來(lái)解決的問(wèn)題，這是一個(gè)將特定離子插入各層的過(guò)程，有點(diǎn)像建筑物中的支柱如何將樓層連接在一起。

然而，Pillaring 也有其自身的缺點(diǎn)。就像建筑物地板上的柱子可能會(huì)阻礙人員進(jìn)出出口一樣，結(jié)構(gòu)柱子可能會(huì)降低電池的能量流動(dòng)。Liu 還需要找到構(gòu)建這些支柱的最佳材料——他希望在他的 CAREER Award 研究中解決所有問(wèn)題。

充電電池科學(xué)

職業(yè)獎(jiǎng)包括公共服務(wù)部分;為此，劉正在尋求擴(kuò)大電化學(xué)儲(chǔ)能的公眾知識(shí)，并為清潔能源勞動(dòng)力的本科生和研究生做好準(zhǔn)備。

劉指出，電池科學(xué)借鑒了多個(gè)學(xué)科的知識(shí)，這可能使其最初成為一個(gè)難以學(xué)習(xí)的領(lǐng)域。

“其中一個(gè)關(guān)鍵組成部分是在課堂教學(xué)中建立互動(dòng)教學(xué)法，”他說(shuō)。“我想通過(guò)匯集所有必要的知識(shí)來(lái)填補(bǔ)這一空白，至少對(duì)于本科生來(lái)說(shuō)，電池是如何工作的。”

一個(gè)想法：使用智能手機(jī)操作系統(tǒng)作為微型實(shí)驗(yàn)室來(lái)監(jiān)控電池電壓和電流，補(bǔ)充課堂學(xué)習(xí)。他說(shuō)，這些數(shù)據(jù)將提供對(duì)電池容量以及它如何隨時(shí)間退化的洞察力。

傳統(tǒng)的鋰電池對(duì)空氣很敏感，因此 Liu 也有興趣開(kāi)發(fā)一門(mén)允許學(xué)生組裝和分析水基電池的實(shí)驗(yàn)室課程。他還對(duì)制作公共演示材料感興趣，這些材料向廣泛的受眾(尤其是 K-12 系統(tǒng)中的學(xué)生和教師)解釋充電電池的工作原理。

本質(zhì)上，可以將其視為另一種充電系統(tǒng)：激勵(lì)未來(lái)的科學(xué)家和研究人員。

“重要的是要了解電池工作原理的基本原理，以便制定制造更好電池的策略，”他說(shuō)。