科学|中科院和代尔夫特理工大学开发新方法预测钠离子电池原子结构科学

对于可以经常充电的车辆来说，钠离子电池可能成为很好的替代品。
【科学|中科院和代尔夫特理工大学开发新方法预测钠离子电池原子结构】盖世汽车讯据外媒报道，中国科学院和代尔夫特理工大学(TUDelft)的研究人员开发出一种预测钠离子电池原子结构的方法，这在世界上尚属首次，将大大推进钠离子电池研究。该类电池将成为仅次于锂离子电池的重要技术。

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锂离子电池具有高能量密度和优异的性能，并广泛应用于手机、笔记本电脑和电动汽车等应用。然而，商业上过于依赖一种电池也有不足之处，例如生产锂离子电池时，必须使用钴。但是，全球钴资源有限，而且开采条件恶劣，对环境产生严重影响。德尔夫特大学的研究人员MarnixWagemaker表示："如果将来我们都转向电动出行，我们也需要大量的锂。"实际上锂储量也是有限的。
研究人员相信钠离子电池富有发展潜力。理论上来说，钠离子电池的性能不如锂离子电池，但差距并不大。Wagemaker称："在实验室规模上，钠离子电池的能量密度只比锂离子电池低20%到30% 。对于可以经常充电的车辆来说，钠离子电池可能成为很好的替代品。"此外，钠离子电池也适合固定应用，例如家里的电源墙或储存风能和太阳能的电池公园。从原材料方面看，钠离子电池可以避免使用钴，提供更好、更便宜的正极。
但是，锂离子电池只使用有限数量的原材料和材料结构，而且最佳正极配方比较明确。对于钠离子电池来说，情况并非如此。Wagemaker称："基于元素的精确组合，你最终会发现正极的原子结构存在细微的差别，这会对电池性能产生很大的影响。仅仅有几个元素，结构上的可能性就这么多，即便是速度最快的超级计算机，也无法预测组合结果。因此，新材料的开发速度很慢。"
中国科学院和代尔夫特的研究人员找到了一种方法，可以预测理想的正极配方。在原子层面上，正极看起来很像三明治：由几层组成，中间有离子。Wagemaker说："起初来看，似乎离子的大小决定了原子结构。我们很快发现，这并不是唯一要素，起到关键作用的是离子的电荷分布。"
这一发现具有重要意义。因为离子大小与其电荷之间的比率，即所谓的"离子势" ，已知具有预测价值。Wagemaker说："几十年来，地质学领域一直通过这一关系，解释为什么某些铁氧化物比其他氧化物更易溶。"事实证明，这种关系在原子层面也有用。研究人员基于离子势开发出简单的配方。Wagemaker说："我们可以根据这个配方，预测哪种原料选择比例将得到哪种结构。该配方引导我们发现电极材料的各种可能性，以提供最佳性能。"
研究人员还设计新材料以测试其配方。Wagemaker说："我们尝试制造能量密度最高、充电速度非常快的正极，并获得成功。就能量密度而言，我们已经达到可能的上限。"
这项研究集中在电池的正极部分。研究人员下一步将探讨不同类型电池的电极和电解液等，并希望通过这项研究，加快开发下一代电池材料。

科学|中科院和代尔夫特理工大学开发新方法 预测钠离子电池原子结构

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