廉價核殼結構負極推動鈉離子電池首次充電效率達82%

該負極基于低成本、環保的活性炭材料。

德國研究人員展示了一種低成本負極，其初始效率達到82%，有望顯著提升鈉離子電池的性能。這項由德國聯邦材料研究與測試研究所開發的核殼結構負極兼具高效能與高存儲容量。

BAM能源材料專家蒂姆-帕特里克·費林格博士指出：“我們意識到，對于鈉離子電池而言，單一材料無法同時實現高存儲容量和高效的成膜效果。”

該負極還能大幅減少首次充電循環中的能量損耗——這正是制約鈉離子電池發展的主要瓶頸之一。其設計使初始效率達到未涂層負極的四倍。

革命性負極

鈉離子電池被廣泛視為鋰離子電池的有力替代品，尤其適用于大規模儲能領域。鈉的成本比鋰低約50倍，開采破壞性更小，且儲量豐富、對環境更友好。

盡管鋰離子電池效率通常超過90%，鈉離子電池卻始終難以接近這一水平。其根本原因在于電池制造過程中的首次充電會導致不可逆的容量損失。這種損失源于負極與電解質（電池中的導電流體）之間的化學反應，甚至在電池投入使用前就已發生。

在此過程中，電解質分子在硬碳負極處分解并滲入其孔隙，占據本應用于儲存鈉離子的“空位”。只有當負極表面形成穩定的保護層后，該過程才會停止。雖然這層薄膜能阻止進一步損傷，但它消耗了鈉離子，從而永久降低了電池可用能量。

鋰離子電池因采用致密石墨負極避免了該問題，但鈉無法儲存在石墨中。為解決這一難題，德國團隊研發出核殼結構負極，將能量存儲與保護層形成過程分離。該設計采用海綿狀硬碳核實現高存儲容量，并覆蓋超薄外殼作為分子篩。

鋪平鈉電池發展之路

費林格表示，鈉離子電池無法用單一材料同時實現高容量與高效成膜。“更適合儲能的材料在成膜過程中更容易產生損耗，”他解釋道。新型外殼允許鈉離子自由通過，同時阻隔會引起副反應的大電解質分子，從而使保護層在殼表面可控形成，而非在多孔核內部深處。

這保全了負極的存儲容量，并幫助電池在多次充電循環中保持性能。實驗室測試中，該負極首次循環庫侖效率達82%，相比未涂層硬碳負極僅18%的效率實現大幅提升。

參與該項目的研究員保羅·阿佩爾強調：“將‘化成’（成膜的技術術語）與存儲功能分離，可通過獨立的材料開發同時提升效率和存儲容量。”他指出當前電池研究多集中于正極材料，但其已接近理論極限。“相比之下，負極材料的極限尚不明確，通過先進材料研發實現突破的創新空間更為廣闊。”

BAM、亥姆霍茲柏林材料與能源研究中心及柏林洪堡大學的研究團隊將在柏林電池實驗室繼續推進該負極材料的研發。相關成果已發表于《德國應用化學》期刊。

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