Discovery为更安全的固态钠充电电池提供了途径

在新加坡国立大学研究人员的突破性发现之后，为电动汽车、手机和许多其他应用提供动力的更安全、更环保、更便宜的可充电电池可能会更进一步。

由助理教授Pieremanuele(Piero)Canepa(新加坡国立大学设计与工程学院材料科学与工程系)领导的团队已经确定了一种新的钠离子基固体电解质组合物，可以实现超快电池充电和放电。

他们的研究最近发表在NatureCommunications上。

“传统和广泛使用的锂离子电池受到安全问题的困扰，特别是由于它们所含的液体电解质的高度可燃性，”卡内帕助理教授说。

“挑战在于寻找更安全的固态替代品，在充电速度、寿命和潜在充电容量方面具有竞争力。”

更安全的高容量电池

研究人员普遍认为，使用不易燃的陶瓷材料(称为固体电解质)来制造全固态电池是提供满足低碳未来能源需求所需的更安全、高容量电池的最佳前景。

困难在于开发能够提供与商用锂离子电池的易燃液体电解质竞争的性能的陶瓷材料的正确成分。

新加坡国立大学团队开发的新型固态组合物使用了一类称为NASICON(或钠超离子导体)的固体电解质，大约在40年前由2019年诺贝尔化学奖获得者Hong和Goodenough首次发现。

除了更安全之外，通过使用钠而不是锂，电池还具有更便宜和更容易生产的额外好处。

“世界上大部分锂本身就是一种相当稀有的元素，仅来自少数几个地方——主要是智利、玻利维亚和澳大利亚，”卡内帕副教授说。“然而，使用依赖钠的电池效率更高，因为钠可以轻松甚至清洁地提取-即使在新加坡这样的小地方也是如此。”

先进的方法

Canepa助理教授团队的发现是使用自下而上的方法进行的，该方法首先使用同一团队开发的高性能超级计算机和新算法开发了NASICON陶瓷成分的理论原子尺度模型。

然后，法国亚眠CNRS实验室deRéactivitéetChimiedesSolides的Masquelier教授团队对设计的成分进行了实验合成、表征和测试。然后在新加坡国立大学和德国于利希的能源与气候研究所测量了新NASICON组合物中离子运动的速度。

“我们使用的方法使研究人员能够加速新固体电解质的开发和优化的开发和优化，这对于实现更安全的高功率密度电池至关重要，”Canepa助理教授说。

“我们相信，这种先进的方法对于开发下一代清洁能源存储技术至关重要。”

该团队目前正在进行的下一阶段研究将重点开发使用NASICON陶瓷的全尺寸固态电池，并展示其充放电性能。

Canepa助理教授领导着新加坡国立大学的Canepa研究实验室，该实验室利用超级计算机的强大功能和先进的模拟算法来突破清洁能源转换和存储的界限。

Canepa实验室对全固态电池的研究

在一项相关研究中，Canepa实验室的研究人员研究了全固态电池开发中的一个关键挑战：碱金属阳极和固体电解质之间的界面，该界面通常不稳定并且是电池故障的根源.

该界面的稳定性取决于在边界处形成的化学性质不同的中间层(称为固体电解质界面)的性质。

在他们最近发表在PRXEnergy杂志上的研究中，由研究员YuhengLi领导的团队研究了锂金属负极和众所周知的固体电解质之间的电池界面，在该界面形成了一个自限性和稳定的界面。

为了了解这种稳定性的起源，作者使用原子级模拟来模拟界面的电子电导率。他们发现界面是电子绝缘的，因此会阻止其自身的逐渐形成并稳定界面。

该团队表示，他们的发现为稳定的电池接口提供了设计指南，有助于加速安全和高性能全固态电池的商业化。