對于電動汽車和依賴電網(wǎng)儲能的地區(qū)來說，一到冬天，電池性能急劇下降幾乎是一個無解的難題。無論是我們手機中的鋰離子電池，還是正在興起的新型儲能系統(tǒng)，在寒冷的天氣中，其續(xù)航里程和充電速度都會大打折扣。這是因為在低溫環(huán)境下，電池內(nèi)部離子移動變得遲緩，就像交通在冰雪路面上嚴(yán)重堵塞一樣。然而，一場由鈉離子電池引發(fā)的技術(shù)突破，正有望徹底改變這個局面。

最近，來自芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院的研究團隊，成功地研發(fā)出一種新型的全固態(tài)鈉離子電池，它不僅能在室溫下保持優(yōu)異的性能，甚至在零下的低溫環(huán)境中依然可以高效運作。這項研究的意義非凡，因為它為我們提供了一個比鋰更便宜、更安全、更環(huán)保的替代方案，有望解決全球能源存儲的瓶頸問題。

這項突破的關(guān)鍵，在于科學(xué)家們成功地穩(wěn)定了一種特殊的亞穩(wěn)態(tài)電解質(zhì)結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的全固態(tài)電池依賴于固態(tài)電解質(zhì)來傳導(dǎo)離子，但鈉離子電池在這方面一直面臨挑戰(zhàn)，其固態(tài)電解質(zhì)在室溫下對鈉離子的傳導(dǎo)效率遠不如鋰離子。芝加哥大學(xué)的孟穎（Y. Shirley Meng）教授及其團隊并沒有發(fā)明全新的材料，而是采用了一種成熟的熱處理技術(shù)。他們將一種名為氫硼化鈉（sodium hydridoborate）的固態(tài)電解質(zhì)加熱到即將晶化的臨界點，然后迅速冷卻，從而“凍結(jié)”并穩(wěn)定了其亞穩(wěn)態(tài)晶體結(jié)構(gòu)。這種經(jīng)過處理的亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，對鈉離子表現(xiàn)出了極高的傳導(dǎo)性，比現(xiàn)有文獻報道的材料至少高出一個數(shù)量級。

這種經(jīng)過優(yōu)化的固態(tài)電解質(zhì)，就像一條在寒冷天氣中也不會結(jié)冰的“離子高速公路”，極大地提高了鈉離子在電池內(nèi)部的傳輸效率。這使得鈉離子電池得以克服其長期以來在低溫性能上的障礙，能夠與鋰離子電池在電化學(xué)性能上展開公平的競爭。研究團隊將這種高性能的固態(tài)電解質(zhì)與經(jīng)過特殊氯化物固態(tài)電解質(zhì)涂層的O3型厚正極結(jié)合，制造出了最終的電池原型。

厚正極的設(shè)計是這項技術(shù)成功的另一個關(guān)鍵。正極越厚，電池在單位面積上能儲存的能量就越多。傳統(tǒng)的電池設(shè)計中，大部分空間和重量被用于容納不活躍的材料，而這種新設(shè)計則能夠“裝載”更多的活性正極材料，從而顯著提高了電池的能量密度。這對于追求長續(xù)航里程的電動汽車和需要高儲能密度的電網(wǎng)系統(tǒng)來說，是至關(guān)重要的進步。

鈉作為一種比鋰豐富得多、成本更低廉的元素，其電池技術(shù)的突破將對全球能源供應(yīng)鏈產(chǎn)生深遠影響。它不僅可以減少我們對稀有金屬鋰的依賴，降低采礦對環(huán)境的破壞，還能讓能源存儲技術(shù)更具經(jīng)濟可行性，從而加速可再生能源在全球范圍內(nèi)的普及。正如研究人員所說，這只是漫長旅程中的重要一步，但它無疑為未來生產(chǎn)兼具鋰和鈉兩種化學(xué)優(yōu)勢的超級電池工廠，打開了通向現(xiàn)實的大門。

參考資料：DOI: 10.1016/j.joule.2025.102130