科学家们发现了一种高性能,低成本的钠离子电池

科学家们发现了一种高性能,低成本的钠离子电池

发布时间:2018-05-15    浏览量:10

在伯克利实验室使用X射线技术制作的中间和右侧图像中,探索电池电极材料中的锰化学反应存在明显的对比。另一种称为sXAS的技术(左图)没有显示出相同的对比度。 (信贷:伯克利实验室)

科学家们发现了元素锰的新化学状态。这种化学状态大约在90年前首次提出,它可以提供一种高性能,低成本的钠离子电池,能够快速有效地储存和分配太阳能电池板和风力涡轮机通过电网产生的能量。

这种在含锰电池组件中先前未经证实的充电状态的直接证据可以激发新的电池创新探索途径。

美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的X射线实验是该发现的关键。研究结果于2月28日在Nature Communications杂志上发表。

伯克利实验室和纽约大学的科学家参加了这项研究,该研究由Natron能源公司的前研究人员Alveo Energy(一家位于加利福尼亚州帕洛阿尔托的电池技术公司)研究人员领导。

Natron Energy为研究提供的电池采用非常规设计的阳极,这是其两个电极之一。与用于锂离子电池的相对成熟的阳极设计相比,钠离子电池的阳极仍然是研发的活跃焦点。

这项最新研究中的阳极由锰,碳和氮等元素的混合物组成,与化学成分类似于普鲁士蓝含铁涂料颜料的配方。

在钠离子电池中实现高性能的阳极材料的原子结构。钠(Na)原子和锰(Mn)原子被标记。 (信贷:伯克利实验室)

“通常情况下,在锂离子和钠离子电池中,阳极更多是碳基阳极,”杨丽丽是伯克利实验室先进光源的工作人员科学家,他是用于电池实验的X射线源。

但是在这种情况下,电池的两个电极都使用基于被称为“过渡金属”的元素的相同类型的材料,这些元素在化学中是有用的,因为它们可以呈现各种充电状态。另一个称为阴极的电极含有铜,氮,碳和铁。

“这里非常有趣的部分是这两种电极都是基于相同类型材料中过渡金属的化学性质,”他补充道,阴极中含有铁,阳极中含有特殊的锰化学物质。

“将这种材料用于电池两个电极的直接好处之一是,两个电极都不能从根本上限制器件的功率容量,循环寿命或成本,”Natron Energy首席执行官Colin Wessells说。研究人员在最新的研究报告中指出,电池的性能优于能源部的电网规模储能循环寿命和价格目标。

Wessells指出,电池非常稳定,材料丰富,总体成本与传统铅酸电池相比具有竞争力,与传统电池相比,它的环境足迹更低。

该电池已被证明能够以非常快速的5分钟放电提供高达90%的总能量,并在1,000次循环中保持约95%的放电容量。它为电网提供了基于重力的能量存储系统的替代方案,在这种系统中,水被上坡抽出,然后在需求下放电以发电。

然而,电池如何实现其高性能,让研究人员感到困惑。

有人猜测,可以追溯到1928年的德文期刊文章中,锰可以以所谓的“1加”或“单价”状态存在,这意味着在这种状态下的锰原子只会失去一个电子。这是不常见的,因为已知锰原子在化学反应中通常会放弃两个或更多个电子,或者没有电子,但不仅仅是一个。

这种新颖的化学状态将使电压范围对电池阳极有用。但是没有任何测量证实这种锰的单价形式。

Natron Energy的研究人员在伯克利实验室的纳米科学中心的分子铸造厂研究了电池材料,然后在ALS提供了一些样品电池用于研究​​。

在ALS的第一轮X射线实验中,使用了一种称为软X射线吸收光谱的技术,似乎主要显示了2加锰形式。

“在最初的测试中,我们只是发现了一种暗示(另一种形式),而且必须严重依赖理论来推测一个不同的状态,”纽约大学的安德鲁•沃雷表示,他进行了理论计算。

然后,团队转向ALS的新建系统,称为原位共振非弹性X射线散射,或iRIXS。该技术提供了材料内部化学特性的高灵敏度探针,在电池充电和放电循环过程中,电子显示出了明显的对比。

“一个非常明显的对比立即出现在RIXS上,”杨说。 “我们后来认识到,锰1加的表现非常非常接近于其他传统光谱中典型的2加状态,”这就是为什么它几十年来难以检测的原因。

Wray补充说:“对RIXS结果的分析不仅证实了锰1加状态;它也表明引起这种状态的特殊情况使得电子更容易在材料中传播。这可能就是为什么这种不寻常的电池电极表现如此出色。“

Wessells指出,基于实验室测试的电池的商业原型在今年早些时候进入了客户的beta测试阶段。除了电网应用之外,Natron Energy还在推广数据中心应急电源技术以及电动叉车等重型设备以及其他可能的应用。

杨表示,最新研究解决的化学难题可以激发其他新型电池电极的研发。 “电池的操作可能会推动我们传统思维中不存在的非典型化学状态的出现。他说,这种基本的理解可能会引发其他新颖的设计,并且超越我们传统的观点,“在电极材料上”。

“这项研究就像一个完美的方案,结合了行业,国家实验室和大学的贡献,”杨说。

Advanced Light Source和Molecular Foundry是美国能源部科学用户设施办公室。

这项工作得到了美国能源部高级研究计划署能源部,能源部科学办公室,伯克利实验室实验室指导研究和开发计划以及国家科学基金会的支持。

出版物:Ali Firouzi等人,“用于稳定的低成本高速率钠离子电池的单价锰基阳极和共溶剂电解质”Nature Communications,第9卷,文章编号:861(2018)doi:10.1038 / s41467-018-03257-1

来源:Glenn Roberts Jr.,伯克利实验室

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