研究人员破解了用于电动汽车和电网储能的钠离子电池的一个关键问题

锂离子电池作为电动汽车的首选电源，长期以来一直主导着市场。它们也越来越多地被考虑用于储存可再生能源，以供电网使用。然而，随着这一市场的快速扩张，预计未来五到十年内锂的供应短缺

美国能源部阿贡国家实验室化学家徐桂亮表示：“由于钠的丰度更高、成本更低，钠离子电池正成为锂离子电池的一种引人注目的替代品。”

迄今为止，这种电池的商业化遇到了严重障碍。特别是，含钠阴极的性能随着反复放电和充电而迅速下降。

阿贡国家实验室的一个团队在解决这一问题方面取得了重要进展，他们设计了一种新的钠离子氧化物阴极。它紧密地基于阿贡国家实验室早期设计的锂离子氧化物阴极，该阴极具有经过验证的高储能能力和长寿命。这项研究发表在《自然纳米技术》杂志上

这两种设计的一个关键特征是微观阴极颗粒含有过渡金属的混合物，其中可能包括镍、钴、铁或锰。重要的是，这些金属在单个阴极颗粒中分布不均匀。例如，镍出现在芯部；围绕这个核心的是钴和锰，它们形成了一个外壳

这些元素有不同的用途。富锰表面使颗粒在充放电循环过程中具有结构稳定性。富镍芯为储能提供了高容量

然而，在测试这种设计时，阴极的储能能力在循环过程中稳步下降。问题可追溯到循环过程中颗粒中裂纹的形成。这些裂纹是由于颗粒中壳和芯之间产生的应变而形成的。该团队试图通过微调阴极制备方法来消除循环前的应变

用于启动合成过程的前体材料是氢氧化物。除了氧和氢，它还含有三种金属：镍、钴和锰。该团队制作了这种氢氧化物的两个版本：一个是金属从核到壳呈梯度分布，另一个是三种金属均匀分布在每个粒子中

为了形成最终产品，研究小组将前体材料和氢氧化钠的混合物加热到高达600°C，在选定的时间内保持在该温度，然后冷却到室温。他们还尝试了不同的加热速率

在整个治疗过程中，研究小组监测了粒子特性的结构变化。该分析涉及使用两个美国能源部科学办公室用户设施：阿贡国家实验室的先进光子源（光束线17-BM和11-ID）和美国能源部布鲁克海文国家实验室的国家同步辐射光源II（光束线18-ID）

阿贡国家实验室束线科学家徐文谦说：“通过这些设施的X射线束，我们可以在现实的合成条件下确定粒子组成和结构的实时变化。”

该团队还使用阿贡国家实验室的纳米材料中心（CNM）进行了额外的分析，以表征粒子，并使用阿贡领导计算设施（ALCF）的Polaris超级计算机将X射线数据重建为详细的3D图像。CNM和ALCF也是美国能源部科学办公室的用户设施

初步结果显示，均匀颗粒中没有裂纹，但在低至250°C的温度下，梯度颗粒中形成了裂纹。这些裂纹出现在核和核壳边界，然后移动到表面。显然，金属梯度导致了显著的应变，从而产生了这些裂纹

阿贡国家实验室博士后研究员Wenhua Zuo说：“由于我们知道梯度粒子可以产生具有高储能能力的阴极，我们想找到消除梯度粒子裂纹的热处理条件。”

加热速率被证明是一个关键因素。裂纹以每分钟5度的升温速率形成，但不会以每分钟1度的较慢速率形成。在以较慢速率制备阴极颗粒的小型电池中进行的测试在400多次循环中保持了其高性能

徐桂亮说：“防止阴极合成过程中的裂纹在阴极随后充电和放电时会带来巨大的回报。”。“虽然钠离子电池还没有足够的能量密度为汽车提供长距离行驶的动力，但它们是城市驾驶的理想选择。”

该团队现在正在努力消除阴极中的镍，这将进一步降低成本，更具可持续性

阿贡杰出研究员Khalil Amine说：“未来钠离子电池的前景似乎非常好，不仅成本低、寿命长，而且能量密度与许多锂离子电池中的磷酸铁锂阴极相当。”。“这将导致更可持续的电动汽车具有良好的行驶里程。”