研究人员发现用锂换钠不会降低电池性能

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自2020年以来，锂的成本增长了近十倍，Elon Musk将这种金属称为“新石油”。降低电池成本不仅可以节省大量资金，还可以更顺利地从化石燃料过渡到可再生能源。许多替代电池技术正在研究中，但到目前为止，还没有一种技术能够取代锂成为主要的选择成分。

现在，亚利桑那州立大学的研究人员提出了一种不同的方法：他们用钠稀释锂，而不是取代锂。钠很容易获得，并且在海水中以氯化钠（盐）的形式存在，有可能减轻锂的财政和环境负担。

该团队使用了他们之前开发的一种技术进行了测试，其目标是降低成本并稳定供应链，初步结果显示，10%的钠锂混合物（钠占10%）在热力学上是稳定的，这一比例预计可以达到20%。他们在7月9日至14日于法国里昂举行的Goldschmidt Geochemistry Conference上介绍了他们的发现。

任何锂离子电池的核心都是锂离子与电池阳极和阴极之间发生的化学反应。阳极通常由石墨制成，而阴极由锂金属氧化物组成，通常是锂钴氧化物。当电池在使用时，锂离子通过电解质从阳极流到阴极，在这个过程中释放能量。当电池充电时，情况正好相反。

研究小组评估了在锂离子电池阴极中加入钠的可行性。他们从热力学的角度研究了这种材料，因为热力学稳定的分子在各种条件下不太可能分解。

“为了了解制造电池、使用电池、尽可能长时间地保持电池运行，然后最终回收或处理材料，”这项工作的首席研究员Alexandra Navrotsky说，“人们必须了解材料的稳定性。”

为了进行全面测试，还需要研究阳极和电解质的稳定性。然而，Navrotsky说，这些材料在化学上要简单得多，不太可能引起重大问题。

为了研究钠掺杂阴极材料的热力学稳定性，科学家们采用了一种称为高温滴量热法的技术（high-temperature drop calorimetry）。这种方法是他们实验室首创的，经过几十年的发展，能够精确测量高温下化学反应产生的能量变化。

确定任何材料的热力学稳定性，例如钠掺杂阴极，需要测量其形成所涉及的能量，也被称为反应能量，在这种情况下，来自反应物组分，锂金属氧化物和钠金属氧化物。理想情况下，研究人员将直接测量将反应物转化为所需产物所涉及的能量。

然而，对于许多材料来说，即使在高温下，形成反应也会缓慢发生，这使得直接测量能量变得不切实际或不可行。相反，研究人员测试了将每种成分与第三种材料相结合所涉及的能量，以及将最终产物与同一种第三种物质相结合所涉的能量，并得出这些测量值之间的差异，以确定感兴趣的反应能量。Navrotsky说：“在我们的情况下，第三种材料在量热计滴溶液中熔融盐溶剂中溶解后，在热力学上仍然稳定。”

亚利桑那州立大学的研究小组通过调查发现，在高达20%的钠掺杂下，阴极保持稳定。然而，当他们进一步提高钠浓度时，他们观察到了一些有趣的事情。这种材料没有在成分变化的同时保持相同的结构，而是经历了结构转变。不幸的是，这种新结构不具备可行电池所需的电气性能。

这项研究表明，电池中使用的锂中，多达20%可能被来自盐的钠所取代。这项工作是基本的第一步，表明用钠稀释锂在化学上是可行的。这是否会带来实用的电池以及相关的成本节约还有待观察。

未来，研究人员还将继续寻找最佳混合比例，然后将他们的发现交给电池技术专家，以生产第一批钠锂电池。

Navrotsky说：“我们真正感兴趣的是了解材料在成分或其他参数下的稳定性差异。我们相信这是开发新电池技术的第一步。我们的研究为探索我们日常生活中所依赖的锂电池的替代、更实惠和可持续的来源开辟了一条充满希望的道路。”