鈉離子電池的新設計規范

美國科學家利用密度泛函理論揭示了鈉離子如何儲存在鈉離子電池的納米多孔碳陽極中，識別出孔隙內的雙重離子和金屬儲存機制。他們的研究結果為提升固定式儲能的電池電壓、安全性和商業可行性提供了實用設計指導。

美國布朗大學的研究人員研究了鈉離子電池中使用碳材料中鈉儲存的行為，旨在提升其在固定式可再生能源存儲應用中的商業可行性。

“我們的工作為合成最大化整體電池性能的負極材料提供了指導方針，”首席作者林肯·姆特梅里表示。“我們的發現提供了實驗室中制造硬碳陽極或其他具有類似多孔結構碳材料的首批混凝土設計規范。這可能為未來鈉離子電池的商業應用鋪平道路。”

研究人員解釋說，硬碳因其獨特的結構、化學和傳輸特性組合，被廣泛認為是鈉離子電池的有前景的負極材料。其無序、多孔且導電的特性使得高效的離子儲存、快速電荷傳輸和長期電化學穩定性成為可能。然而，團隊指出，由于硬碳結構復雜，其沉積機制仍不充分。這種理解不足也限制了能夠準確量化材料開路電壓的理論模型的發展。 編譯 陳講運

在發表于ESS Batteries的《硬碳電極中孔隙填充機制的結構描述符》研究中，研究人員研究了沸石模板碳（ZTC）。ZTC是一種納米多孔碳材料，利用沸石作為硬模板合成，實現對孔徑和明確離子擴散路徑的精確控制。

團隊采用了密度泛函理論（DFT），這是一種量子力學計算方法，用于計算原子、分子和固體的電子結構，分析納米孔隙內鈉的行為。模擬顯示，當鈉原子進入孔隙時，它們最初通過離子相互作用與孔壁結合。一旦孔隙表面完全被占據，額外的鈉會在孔心中積累，形成金屬團簇。

研究人員發現，鈉的兩種儲存機制——沿孔隙壁的離子吸附和孔隙中心的金屬聚集——在電池性能中起著關鍵作用。離子鈉和金屬鈉的共存有助于保持較低的陽極電位，從而提高整體電池電壓，因為電池電壓定義為陰極電位減去陽極電位。同時，離子鈉抑制鈉金屬鍍層，否則可能導致相鄰孔隙間短路。

“這有助于我們確定最佳孔徑，”Mtemeri說。“我們證明大約一納米的孔徑能維持離子和金屬豐度之間的預期平衡。”

展望未來，研究人員表示，研究中開發的描述符，包括孔徑大小、比容積和碳結構，可以作為優化鈉離子電池碳基電極的實用設計指導。

合著者岳琦說：“鈉的含量是鋰的1000倍，這使得它成為更可持續的選擇。”“現在我們準確了解哪些孔隙特征重要，這使我們能夠據此設計陽極材料。”

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