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隨著純電動(dòng)汽車的普及，以及家用清潔能源存儲(chǔ)的需求不斷上漲，全球研究人員都在尋找可替代鋰離子材料的性能更好的電池，其中鈉離子電池脫穎而出。與鋰相比，鈉的存儲(chǔ)更豐富也成本更低。更重要的是，當(dāng)在高壓（4.5伏）下循環(huán)時(shí)，鈉離子電池可以大大增加在給定重量或體積下可以存儲(chǔ)的能量。然而，隨著充放電循環(huán)，其性能下降速度過(guò)快，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

據(jù)外媒報(bào)道，美國(guó)能源部（DOE）阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Argonne National Laboratory）的研究人員發(fā)現(xiàn)了其性能下降的一個(gè)關(guān)鍵原因：在制備陰極材料的步驟中形成的原子結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了缺陷。這些缺陷最終會(huì)導(dǎo)致陰極發(fā)生結(jié)構(gòu)性地震，從而導(dǎo)致電池循環(huán)過(guò)程中性能下降。了解該原因后，電池開(kāi)發(fā)人員將能夠調(diào)整合成條件以制造出性能更加優(yōu)越的鈉離子陰極。


取得這一發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵是該團(tuán)隊(duì)依賴阿貢納米材料中心（CNM）和先進(jìn)光子源（APS）提供的世界級(jí)科學(xué)能力，這兩個(gè)中心都隸屬于美國(guó)能源部科學(xué)辦公室用戶設(shè)施。

阿貢大學(xué)化學(xué)科學(xué)與工程部助理化學(xué)家Guiliang Xu表示：“憑借這些設(shè)施，我們能夠在陰極材料合成過(guò)程中實(shí)時(shí)跟蹤其原子結(jié)構(gòu)的變化。”

在陰極合成過(guò)程中，材料制造商將陰極混合物在空氣中緩慢加熱到非常高的溫度，并保持一定時(shí)間，然后迅速將溫度降至室溫。

CNM納米科學(xué)家Yuzi Liu表示：“眼見(jiàn)為實(shí)。憑借阿貢的一流科學(xué)設(shè)施，我們不必猜測(cè)，而是直接可以看到合成過(guò)程。”為此，該團(tuán)隊(duì)調(diào)用了CNM的透射電子顯微鏡和APS的同步加速器X射線束（光束線11-ID-C和20-BM）。

研究數(shù)據(jù)顯示，在材料合成過(guò)程中迅速降低溫度后，陰極顆粒表面變得不那么光滑，并表現(xiàn)出大面積的應(yīng)變指示。數(shù)據(jù)還顯示，這些區(qū)域的推拉效應(yīng)在陰極循環(huán)過(guò)程中發(fā)生，導(dǎo)致陰極顆粒開(kāi)裂和性能下降。

經(jīng)過(guò)進(jìn)一步研究，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在高溫（130華氏度）或快速充電（一小時(shí)而不是10小時(shí)）下循環(huán)陰極時(shí)，這種退化會(huì)加劇。

阿貢杰出研究員Khalil Amine指出：“我們的發(fā)現(xiàn)對(duì)于大規(guī)模制造改進(jìn)的鈉離子陰極極為重要。由于所涉材料量較大，比如1000公斤，因此會(huì)產(chǎn)生很大的溫度變化，除非采取適當(dāng)步驟，否則會(huì)形成許多缺陷。”

團(tuán)隊(duì)成員早期的研究使得陽(yáng)極得到極大改進(jìn)。Xu表示：“我們目前可以將改進(jìn)的陰陽(yáng)極相匹配，以實(shí)現(xiàn)20%至40%的性能提升。同樣重要的是，這種電池將在高壓長(zhǎng)期循環(huán)下保持這種性能。”

此次發(fā)現(xiàn)將會(huì)提高電動(dòng)汽車的續(xù)航里程，并降低電網(wǎng)儲(chǔ)能的成本。

原標(biāo)題： 阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)鈉離子電池性能缺陷 或可提升EV續(xù)航里程