NSF資助的研究探索鈉離子電池的潛力

鋰離子電池為智能手機和平板電腦、筆記本電腦和電動汽車供電。但銀色金屬鋰并不那么容易獲得，這將使其成為電網(wǎng)儲能等大規(guī)模運營成本高昂的選擇。

鈉離子電池是一種經(jīng)濟實惠且有前途的替代品。畢竟，鈉鹽并不罕見。地球的海洋充滿了它。

“它非常便宜，而且比鋰豐富得多，”化學(xué)助理教授 Hao Liu解釋說，他今年春天因?qū)︹c離子電池的研究獲得了美國國家科學(xué)基金會頒發(fā)的 559,276 美元的CAREER 獎。

這種類型的電池對于不斷增長的可再生能源部門來說尤其是一個福音，因為發(fā)電的力量是間歇性的。

“太陽并不總是照耀著，風(fēng)也并不總是在吹，這需要更大規(guī)模的能量儲存，”劉說。

在元素周期表上，鈉位于鋰的正下方，這意味著它們是堿金屬族的成員，具有許多共同特征。由它們制成的電池也是如此，盡管也存在差異。

可充電電池依賴于嵌入反應(yīng)，其中離子從構(gòu)成電極的層中插入或移除。然而，由于鈉離子在物理上比鋰離子大，因此在使用過程中去除離子時，這些層更容易塌陷，從而損害電池的結(jié)構(gòu)完整性。充電幾次后，電池開始失去存儲容量。

他解釋說，這是一個劉希望通過結(jié)構(gòu)支柱來解決的問題，這是一個將特定離子插入各層的過程，有點像建筑物中的支柱如何將樓層連接在一起。

然而，Pillaring 也有其自身的缺點。就像建筑物地板上的柱子可能會阻礙人員進出出口一樣，結(jié)構(gòu)柱子可能會降低電池的能量流動。Liu 還需要找到構(gòu)建這些支柱的最佳材料——他希望在他的 CAREER Award 研究中解決所有問題。

充電電池科學(xué)

職業(yè)獎包括公共服務(wù)部分;為此，劉正在尋求擴大電化學(xué)儲能的公眾知識，并為清潔能源勞動力的本科生和研究生做好準(zhǔn)備。

劉指出，電池科學(xué)借鑒了多個學(xué)科的知識，這可能使其最初成為一個難以學(xué)習(xí)的領(lǐng)域。

“其中一個關(guān)鍵組成部分是在課堂教學(xué)中建立互動教學(xué)法，”他說。“我想通過匯集所有必要的知識來填補這一空白，至少對于本科生來說，電池是如何工作的。”

一個想法：使用智能手機操作系統(tǒng)作為微型實驗室來監(jiān)控電池電壓和電流，補充課堂學(xué)習(xí)。他說，這些數(shù)據(jù)將提供對電池容量以及它如何隨時間退化的洞察力。

傳統(tǒng)的鋰電池對空氣很敏感，因此 Liu 也有興趣開發(fā)一門允許學(xué)生組裝和分析水基電池的實驗室課程。他還對制作公共演示材料感興趣，這些材料向廣泛的受眾(尤其是 K-12 系統(tǒng)中的學(xué)生和教師)解釋充電電池的工作原理。

本質(zhì)上，可以將其視為另一種充電系統(tǒng)：激勵未來的科學(xué)家和研究人員。

“重要的是要了解電池工作原理的基本原理，以便制定制造更好電池的策略，”他說。