鈉離子電池快充技術(shù)實(shí)現(xiàn)突破：性能直逼鋰離子

科學(xué)家稱，在鈉離子電池替代品實(shí)現(xiàn)快充突破后，"高風(fēng)險(xiǎn)"的鋰離子電池時(shí)日無多。研究人員表示，一種創(chuàng)新的電池材料方法可使鈉離子電池的能量密度和充電速度大幅逼近鋰離子電池。

科學(xué)家指出，與傳統(tǒng)的鋰離子電池相比，新研發(fā)的鈉離子電池能實(shí)現(xiàn)更快的充電速度、更高的能量密度以及安全性的提升。東京科學(xué)大學(xué)的研究人員使用一種新型碳基電解質(zhì)，改善了鈉離子電池的能量密度和充電速度。鈉離子電池是當(dāng)下主流設(shè)備中鋰離子電池的替代選擇。

科學(xué)家一直在研究鈉離子電池作為鋰離子電池的替代品，因?yàn)樗€(wěn)定性更高、成本更低，但一些瓶頸和限制阻礙了這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展。

所有電池都包含陽極和陰極，這是決定電流如何進(jìn)出設(shè)備的兩個(gè)電極。在鋰離子電池中，陰極主要由石墨制成，因?yàn)槭莾Υ驿囯x子的優(yōu)良材料，鋰離子可以在之后放電。但是鈉離子電池使用的是硬碳，這是一種由數(shù)千個(gè)"無序堆疊基本結(jié)構(gòu)單元"組成的多孔材料，本質(zhì)上是一種復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，善于儲存鈉離子。理論上，這是一種充電速度非常快的材料。

然而，此前對硬碳的研究發(fā)現(xiàn)很難證明這種理論充電速度在實(shí)踐中可行，因?yàn)楦咚龠M(jìn)入致密電解液的離子會遇到類似交通堵塞的減速過程。但發(fā)表在《化學(xué)科學(xué)》雜志上的一項(xiàng)新研究中，科學(xué)家們開始著手克服這一障礙。

研究人員將小濃度的硬碳與化學(xué)惰性材料氧化鋁結(jié)合成復(fù)合電極。這使得離子能夠自由地流入硬碳顆粒，沒有"交通"問題。克服了這個(gè)問題后，研究人員隨后證明，鈉離子進(jìn)入硬碳的速度與鋰離子在鋰離子電池中進(jìn)入石墨的速度相近。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，整個(gè)過程的瓶頸在于離子填充硬碳內(nèi)部"孔洞"的速度，"孔洞"指的是離子在硬碳表面納米級孔洞內(nèi)部形成準(zhǔn)金屬團(tuán)簇的過程。通過仔細(xì)分析，研究人員發(fā)現(xiàn)鈉離子形成這些團(tuán)簇所需的能量較少。這一發(fā)現(xiàn)表明，在適當(dāng)?shù)臈l件下，鈉離子電池可以實(shí)現(xiàn)比鋰離子電池更快的充電速度。

東京科學(xué)大學(xué)應(yīng)用化學(xué)系教授、研究報(bào)告主要作者駒場慎一在一份聲明中解釋道："為可快速充電的鈉離子電池研發(fā)改進(jìn)型硬碳材料的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是要實(shí)現(xiàn)更快的孔洞填充動力學(xué)過程，以便能夠在高充電率下進(jìn)入孔洞。此外，我們的結(jié)果表明，考慮到鈉離子嵌入的活化能比鋰離子嵌入更小，鈉離子的嵌入對溫度的敏感度更低。"

在現(xiàn)實(shí)世界中，這項(xiàng)成果可能有助于鈉離子電池在需要極高充電或放電速度的應(yīng)用中更廣泛地被采用。例如，電網(wǎng)規(guī)模的電池儲能系統(tǒng)將受益于按需快速放電的能力。對于大規(guī)模用于儲存可再生能源所產(chǎn)生電力的電池來說，保持穩(wěn)定性也至關(guān)重要。

正如伊斯蘭科技大學(xué)、愛達(dá)荷州立大學(xué)和滑鐵盧大學(xué)的研究人員在2025年的一項(xiàng)研究中所指出的，鈉離子電池比鋰離子電池更安全。這是因?yàn)樗鼈兯姆€(wěn)定鈉離子不易發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，而鋰離子電池在受損時(shí)則會因鏈?zhǔn)椒磻?yīng)而燃燒甚至爆炸。英國國家消防局局長委員會表示，使用鋰離子電池的儲能系統(tǒng)存在"重大的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)"，特別是因?yàn)橐坏┲穑@些電池不容易被撲滅。

導(dǎo)致鋰離子電池起火的自持過程——熱失控，甚至可以在沒有氧氣的情況下自行持續(xù)。英國安全委員會指出，鋰離子電池在某些電動汽車中著火后可能會燃燒數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天。

如果大規(guī)模生產(chǎn)，像研究中測試的那樣的鈉離子電池可以完全避免這些風(fēng)險(xiǎn)。駒場慎一在聲明中說："我們的結(jié)果定量地證明，使用硬碳陽極的鈉離子電池的充電速度可以達(dá)到比鋰離子電池更快的速率。"