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为将太阳能和风能产生的电能并入电网,管理人员需要就近在太阳能和风能发电厂安装可大量储存电能的电池。常见的用于电子消费品和电动汽车上的锂离子充电电池具有良好的储电能力,但是由于价格昂贵而无法大量生产和应用。钠离子用于充电电池是另一个最好的选择,不过目前钠硫电池运行温度为300摄氏度,相当于水沸点温度的3倍,这使得钠硫电池既不节能又不安全。而研究人员的目标是要采用廉价的钠同时使用锂离子充电电池中的电极。最近,通过对电极材料进行恰当的高温处理,研究人员开发出了能提高钠离子充电电池电能和寿命的方法,从而有望让钠离子充电电池成为替代电网中用于大规模储存电能的廉价的新途径。

寻找到新方法的是美国能源部西北太平洋国家实验室的科学家和来自中国武汉大学访问学者组成的研究小组。在西北太平洋国家实验室化学家刘军(音译)和武汉大学化学家曹玉良(音译)的领导下,研究人员利用纳米材料制作出了能够用于钠离子充电电池的电极。刘军表示,钠离子电池使用食盐中的钠离子成分并在室温下工作,这将使得充电电池更为廉价且更加安全。

高温处理让电极材料中看又中用

锂充电电池中的电极由氧化锰材料制成,其材料中原子之间存在许多小孔和通道。当电池在放电或充电时,锂离子能够在小孔和通道中穿行。事实上,锂离子的这种自由运动保证了电池电能的储存或释放。不过,简单地用钠离子取代锂离子则无法正常工作,因为钠离子比锂离子大70%,它们无法在氧化锰原子间的小孔和通道中自由穿行。

在寻求增大氧化锰材料中原子小孔和通道的途径时,研究人员将注意力转向了更小的物质——具有独特性能的纳米材料。在研究探索中,研究人员将两种不同种类的氧化锰原子基础材料混合起来,一种的原子排列成金字塔状,两个金字塔结构的基底结合在一起后形同钻石;另一种的原子排列为正八面体。他们期望混合材料最终能形成大的S形通道和更小的五边形通道,以便让钠离子通过。为此,研究人员将混合的材料经过450摄氏度至900摄氏度的高温处理,然后分析处理后的结果,并检测何种温度处理效果最佳。利用扫描电子显微镜,他们发现,不同的温度下获得的材料的品质也不相同。750摄氏度处理后的氧化锰形成了最佳的晶体,温度低时晶体看上去很古怪,温度高时晶体成较大的平板状。

借助美国能源部所属环境分子学实验室的透射电子显微镜,研究人员观察到,经过600摄氏度处理的氧化锰混合物形成的纳米导线上有妨碍钠离子运动的凹坑,750摄氏度处理后的混合物纳米导线均匀和透明。

然而,对研究人员而言,即使是最上相的材料,如果不能满足工作的需要,那么它也只不过是装饰品。为了解经过高温处理后获得的氧化锰纳米晶体是否既中看又中用,他们将其制成电极放入含有能帮助氧化锰电极形成电流的钠离子的溶液中,然后不断地对实验用电池进行充电和放电测试。

输出峰值电量大增且可循环充电

在对用混合氧化锰纳米材料为电极的实验电池进行的放电测试中,研究人员测量到的每克电极材料峰值电量为每小时128毫安,此结果超过了过去其他研究人员完成的实验。

在以往的实验中,曾测量到峰值电量为80毫安时的结果,据悉,该电池也采用了氧化锰电极,但电极的生产方式不同。研究人员认为,过去实验出现较低峰值电量的原因是由于钠离子导致氧化锰结构发生变化,而在经过高温处理后的纳米氧化锰电极中,氧化锰的结构不会或很少发生变化。

除输出高峰值电量外,高温处理后获得的氧化锰纳米电极材料能够让电池保持充/放电循环能力,这在商业应用中十分重要。研究人员发现,经过750摄氏度处理获得的电极材料效果最好,在100次充/放电循环后,电池电量仅减少7%。而经过600摄氏度和900摄氏度处理后的材料,在相同的情况下电量损失率分别为37%和25%。同时,即使是在1000次充/放电循环后,采用750摄氏度处理后的材料制作电极的电池电量仅比最初的电量下降了23%。对此,研究人员认为此纳米电极材料具有良好的工作性质。

此外,在对实验电池以不同速度进行充电的测试中,研究人员注意到充电速度越快,电池能保存的电力越少。这说明充电速度能够影响电池的储电能力。在快速充电时,钠离子并不能以足够快的速度进入电极通道并将它们填满。

为解决钠离子移动速度慢的问题,研究人员设想今后制作尺寸更小的纳米导线来加速充/放电过程。电网中的电池需要快速充电,这样它们才能够尽可能地储存从可再生能源那里获得的电能。同时,它们也需要具有快速放电的能力,以便满足电力消费者在打开空调和电视甚至为电动汽车充电时的需求。

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