美国科学家利用密度泛函理论揭示了钠离子如何储存在钠离子电池的纳米多孔碳阳极中，识别出孔隙内的双重离子和金属储存机制。他们的研究结果为提升固定式储能的电池电压、安全性和商业可行性提供了实用设计指导。
美国布朗大学的研究人员研究了钠离子电池中使用碳材料中钠储存的行为，旨在提升其在固定式可再生能源存储应用中的商业可行性。
“我们的工作为合成最大化整体电池性能的负极材料提供了指导方针，”首席作者林肯·姆特梅里表示。“我们的发现提供了实验室中制造硬碳阳极或其他具有类似多孔结构碳材料的首批混凝土设计规范。这可能为未来钠离子电池的商业应用铺平道路。”
研究人员解释说，硬碳因其独特的结构、化学和传输特性组合，被广泛认为是钠离子电池的有前景的负极材料。其无序、多孔且导电的特性使得高效的离子储存、快速电荷传输和长期电化学稳定性成为可能。然而，团队指出，由于硬碳结构复杂，其沉积机制仍不充分。这种理解不足也限制了能够准确量化材料开路电压的理论模型的发展。 编译 陈讲运
在发表于ESS Batteries的《硬碳电极中孔隙填充机制的结构描述符》研究中，研究人员研究了沸石模板碳（ZTC）。ZTC是一种纳米多孔碳材料，利用沸石作为硬模板合成，实现对孔径和明确离子扩散路径的精确控制。
团队采用了密度泛函理论（DFT），这是一种量子力学计算方法，用于计算原子、分子和固体的电子结构，分析纳米孔隙内钠的行为。模拟显示，当钠原子进入孔隙时，它们最初通过离子相互作用与孔壁结合。一旦孔隙表面完全被占据，额外的钠会在孔心中积累，形成金属团簇。
研究人员发现，钠的两种储存机制——沿孔隙壁的离子吸附和孔隙中心的金属聚集——在电池性能中起着关键作用。离子钠和金属钠的共存有助于保持较低的阳极电位，从而提高整体电池电压，因为电池电压定义为阴极电位减去阳极电位。同时，离子钠抑制钠金属镀层，否则可能导致相邻孔隙间短路。
“这有助于我们确定最佳孔径，”Mtemeri说。“我们证明大约一纳米的孔径能维持离子和金属丰度之间的预期平衡。”
展望未来，研究人员表示，研究中开发的描述符，包括孔径大小、比容积和碳结构，可以作为优化钠离子电池碳基电极的实用设计指导。
合著者岳琦说：“钠的含量是锂的1000倍，这使得它成为更可持续的选择。”“现在我们准确了解哪些孔隙特征重要，这使我们能够据此设计阳极材料。”
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