由钠离子增强技术推动的下一代电池

杜克大学的材料科学家揭示了类似桨轮的分子动力学这有助于推动钠离子通过一种快速发展的固态电池。这些见解可以帮助指导研究人员寻求新一代钠离子电池，以取代锂离子技术，广泛应用于数据中心和家庭能源存储等领域。

一般来说，可充电电池的工作原理是通过外部电线将电子从一边移动到另一边，然后再移动回来。为了平衡能量的转移，带电荷的原子，如锂离子，在电池内通过一种叫做电解质的化学物质移动。这些离子能多快、多容易地完成它们的旅程，对电池充电的速度和在给定的时间内能提供多少能量起着关键作用。

“大多数研究人员仍然倾向于关注固体电解质的晶体框架如何允许离子快速通过全固体电池，”他说奥利弗Delaire他是杜克大学机械工程和材料科学副教授。“在过去几年里，该领域已经开始意识到，原子如何跳跃的分子动力学也很重要。”

取代新一代锂离子电池

从微型智能手表到大型数据中心，锂离子电池长期以来一直是大多数需要储能的商业应用的主导技术。尽管锂离子电池非常成功，但它也有一些缺点，这使得新技术在某些应用中更具吸引力。

例如，锂离子电池内部有一种液体电解质，它在允许锂离子快速通过方面非常有效，但同时也非常易燃。随着市场继续呈指数级增长，人们担心能否从相对有限的全球矿藏中开采出足够的锂。而一些用于建筑的稀土元素，如钴和锰，更是稀有，只在世界上少数几个地方开采。

许多研究人员认为，替代技术是必要的，以补充激增的能源存储需求，其中一个主要候选人是钠离子电池。虽然能量密度和速度不如锂离子电池，但这项技术有许多潜在的优势。钠比锂便宜得多，储量也更丰富。它们组成部分所需的材料也更容易获得。通过用固态电解质材料代替液体电解质，研究人员可以制造出比目前可用的可充电电池更能量密集、更稳定、更不容易着火的全固态电池。

这些优点使研究人员认为钠离子电池是锂离子电池的潜在可行替代品，适用于不像薄智能手机或轻型电动汽车那样受空间和速度限制的应用。例如，大型数据中心或其他在很长一段时间内需要大量能源的建筑物就是很好的选择。

德莱尔说:“这通常是一个非常活跃的研究领域，人们正在竞相开发下一代电池。”“然而，对于什么材料在室温下工作良好或为什么工作，人们还没有足够强大的基本理解。我们正在提供原子动力学的见解，使一种受欢迎的候选者能够快速有效地运输钠离子。”

这些实验研究的材料是一种硫代磷酸钠Na3PS4。研究人员已经知道磷和硫原子的晶体结构为钠离子创造了一个一维通道。但正如德莱尔解释的那样，没有人观察过相邻原子的运动是否也起着重要作用。

为了找到答案，德莱尔和他的同事们把这种材料的样本带到橡树岭国家实验室。通过以极快的速度将中子从原子上弹回，研究人员捕捉到了一系列原子精确运动的快照。结果表明，金字塔形的磷硫PS4单元构成了隧道，在适当的位置扭曲和转动，几乎就像桨轮一样帮助钠离子通过。

德莱尔说:“这个过程以前也有理论，但争论通常是以卡通的方式进行的。”“在这里，我们展示了原子实际上在做什么，并表明，虽然这幅漫画有一点真实，但它也要复杂得多。”

研究人员通过在国家能源研究科学计算中心对原子动力学进行计算建模，证实了中子散射的结果。该团队使用机器学习方法来捕捉原子振动和移动的势能面。由于不需要在每个时间点重新计算量子力学力，这种方法将计算速度提高了几个数量级。

随着对钠离子电解质原子动力学的新见解和快速建模其行为的新方法，Delaire希望这些结果将有助于从Na3PS4和其他领域推动该领域更快地向前发展。

德莱尔说:“尽管这是一种主要的材料，因为它具有很高的离子导电性，但已经有一种稍微不同的版本在使用锑而不是磷。”“但是，尽管该领域的发展速度很快，我们在这篇论文中提出的见解和工具应该有助于研究人员更好地决定下一步该往哪里走。”

-由Chris Vavra编辑，网页内容经理，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．

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