萨里大学的科学家发现，一种钠基电池材料在保留其天然水分时，性能表现要好得多。电池研究人员通常会去除这些水分，因为水分普遍被认为对电池材料有害。然而在这种情况下，保留水分却带来了显著的性能提升。
一种比锂更丰富的替代品
目前，锂离子电池为大多数智能手机、笔记本电脑、电动汽车和许多大型储能系统提供动力。它们可以储存大量能量，但用于这些电池的锂和其他一些材料的获取成本可能很高，并且可能带来巨大的环境代价。
钠要常见得多，分布也更为广泛。它存在于海水、盐矿和许多矿物中，这使其成为低成本储能极具吸引力的候选材料。钠离子电池的工作原理与锂离子电池大致相似，在充放电过程中，带电钠粒子在两个电极之间移动。
主要障碍在于性能。在储存电荷量、充电速度或使用寿命方面，许多钠离子电池材料尚无法与锂离子技术相媲美。
保留材料中的水分提升了性能
在发表在《材料化学杂志A》（Journal of Materials Chemistry A）上的一项研究中，研究人员检测了钒酸钠，这是一种已被研究多年的含钠材料。
他们的研究重点是被称为纳米结构水合钒酸钠（NVOH）的形式。“水合”一词意味着水分子被构建在材料的结构中。“纳米结构”是指在极小尺度上设计的特征，其中形状和排列的变化会强烈影响离子在电池中移动的方式。
研究团队没有通过加热来驱除水分，而是测试了如果保留水分会发生什么。
结果是性能得到了重大提升。这种水合材料储存的电荷要多得多，充电速度更快，并且在超过400次充放电循环中持续稳定运行。一个充放电循环代表电池的一次完整使用过程，即从充电到放电再回到充电状态。
在实验室测试中，这种含水版本的储电量几乎是典型钠离子材料的两倍。这一性能水平使其跻身此类电池报道过的最强正极材料之列。
正极是电池的两个主要电极之一。它在储存和释放带电粒子方面起着核心作用，因此改进正极可以显著提高电池的整体容量和性能。
萨里大学化学与化学工程学院研究员、该论文的第一作者丹尼尔·科曼德博士表示：
“我们的结果完全出乎意料。钒酸钠已经存在多年，人们通常对其进行热处理以去除水分，因为人们认为水分会引起问题。我们决定挑战这一假设，结果远比我们预期的要好。该材料表现出了比预期更强的性能和稳定性，甚至可能为这些电池未来的应用方式带来令人兴奋的新可能性。”
该电池材料在盐水中也能工作
随后，研究人员将这种材料置于盐水中，这对电池组件来说是一个极具挑战性的环境。盐水会引发不良的化学反应并干扰离子的移动，使得许多材料难以正常工作。
尽管存在这些条件，水合钒酸钠仍继续有效工作。
该系统还开始去除溶解的盐。这种钠基材料从水中提取钠，而石墨电极则去除氯化物。钠和氯化物是普通盐的两个主要带电成分。
这一过程被称为电化学脱盐。电化学脱盐不仅仅利用压力或热量将盐与水分离，而是利用电化学反应和特选的电极将带电盐粒子从溶液中提取出来。
科曼德博士补充道：
“能够在盐水中使用水合钒酸钠是一个真正令人兴奋的发现，这表明钠离子电池不仅可以储存能量，还可以帮助从水中去除盐分。从长远来看，这意味着我们也许能够设计出使用海水作为完全安全、免费且丰富的电解质的系统，同时在此过程中还能产生淡水。”
电解质是允许带电粒子在电池电极之间移动的物质。大多数商业电池使用专门配制的液态或固态电解质。如果海水最终能够安全有效地发挥这一作用，那么它可以在降低材料成本的同时，为系统增加第二项功能。
一种技术有望同时储存能量并生产淡水
这些发现提出了未来将储能与水处理结合的设备的可能性。此类系统可能储存来自太阳能电池板或风力涡轮机的电力，同时从海水中去除盐分。
这对于淡水获取受限但海水和可再生能源丰富的沿海地区可能特别有用。然而，该研究仍处于早期阶段，在将该技术用于商业电池或大型脱盐系统之前，还需要进行更多测试。
这一发现也可能增强钠离子电池作为锂基技术替代品的理由。由于钠资源丰富且相对廉价，钠离子系统可能成为在电网上储存可再生能源或为电动汽车供电的一种更安全、更可持续的选择。
萨里大学团队的方法还可能简化电池生产。制造商不必增加额外的制造步骤来去除材料中的水分，而是可以在获得更好性能的同时将其保留。
通过挑战关于水分的长期假设，研究人员发现了一种改进现有电池材料的直接方法。他们的结果使高性能钠离子储能更接近实际应用，并预示了这样一个未来：一种设备既可以储存清洁能源，又能帮助将海水转化为淡水。