孟颖教授实验室研发出新型电池，让平价、快速充电、高容量的电动汽车和电网存储电池成为可能。（Photo by John Zich）加州大学圣地亚哥分校博士候选人Grayson Deysher是概述团队研究成果论文的第一作者。（照片由David Baillot/加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院提供）无负极示意图和能量密度计算。(a) 碳负极、合金负极和无负极结构的电池示意图。(b) 各种钠负极材料的理论能量密度比较。(c) 说明实现无负极全固态电池所需条件的示意图。（图片由能源存储与转换实验室提供）“Design principles for enabling an anode-free sodium all-solid-state battery,” Deysher et al, Nature Energy, July 3, 2024. DOI: 10.1038/s41560-024-01569-9

芝加哥大学普利兹克分子工程学院孟颖（Shirley Meng）教授的能源存储与转换实验室 (LESC)与加州大学圣地亚哥分校化学与纳米工程系的合作，使得平价、快速充电、高容量的电动汽车和电网存储电池成为可能。

“虽然之前已经有钠电池、固态电池和无阳极电池，但直到现在还没有人能成功地将这三个概念结合起来，”加州大学圣地亚哥分校博士候选人格雷森·戴舍（Grayson Deysher）说，他是概述该团队工作的新论文的第一作者。

这篇今天发表在《自然能源》（Nature Energy）上的论文展示了一种新型钠电池结构，可以稳定循环数百次。通过去除阳极并使用廉价、丰富的钠代替锂，这种新型电池的生产将更加经济实惠且环保。通过其创新的固态设计，该电池还将更加安全和强大。

这项工作不仅是科学上的进步，也是填补电池扩大规模的必要步骤，以实现世界经济脱离化石燃料的转型。

孟颖教授说：“要让美国运行一小时，我们必须生产一兆瓦时的能源。为了实现我们去碳化经济的使命，我们需要数百兆瓦时的电池。我们需要更多的电池，而且需要更快。”

常用于电池的锂并不常见。它当地壳中的含量约为百万分之二十，而钠则为百万分之二万。

这种稀缺性，加上笔记本、手机和电动汽车对锂离子电池的需求激增，导致价格飙升，使得所需的电池变得更遥不可及。

锂的矿床也很集中。智利、阿根廷和玻利维亚的“锂三角”拥有全球75%以上的锂供应，其他矿床则分布在澳洲、北卡罗莱纳州和内华达州。这使得某些国家在应对气候变化的去碳化过程中比其他国家更具优势。

“全球行动需要共同努力，以获取至关重要的材料。”孟颖教授说。

锂的提取也会对环境造成破坏，无论是使用工业酸分解矿石，还是更常见的都需要将大量水抽到地表进行干燥。

钠在海水和纯碱矿业中经常见，本质上是一种更环保的电池材料。 LESC的研究也让它变得更强大。

为了制造出具有锂电池能量密度的钠电池，研究团队需要发明一种新的钠电池架构。

传统电池在充电时使用负极来存储离子。当电池使用时，离子从负极流经电解质到达集电器（正极），为设备和汽车提供动力。

无负极电池移除负极，将离子直接存储在碱金属的电化学沉积物上，这种方法可以提高电池电压、降低电池成本并增加能量密度，但也带来了挑战。

“在任何无负极电池中，电解质和集电器之间都需要有良好的接触，”戴舍说。“使用液态电解质时，这通常很容易实现，因为液体可以流动到各处并润湿每个表面。而固态电解质无法做到这一点。”

然而，这些液体电解质会形成一种叫做固体电解质界面膜（SEI）的堆积物，同时不断消耗活性物质，随着时间的推移降低电池的效用。

研究团队采用了一种新颖的创新方法来解决这个问题。他们没有使用包围集电器的电解质，而是创造了一个包围电解质的集电器。

他们用铝粉制造集电器，铝粉是一种可以像液体一样流动的固体。

在电池组装过程中，粉末在高压下被压缩成固体集电器，同时保持与电解质的液体接触，实现低成本和高效率的循环，进而推动这项革命性技术的发展。

“钠固态电池通常被视为遥不可及的未来技术，但我们希望这篇论文能够通过展示钠电池确许可以很好地工作，甚至在某些情况下比锂电池更好，进而激励更多人在钠电池领域的研究。”戴舍说。

最终目标是什么？孟颖教授设想了一个拥有各种清洁、廉价电池选择的能源未来，这些电池可以存储可再生能源，并根据社会需求进行扩展。

孟颖教授和戴舍已通过加州大学圣地亚哥分校的创新和商业化办公室为他们的工作提交了专利申请。