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材料科学家发现氢是导致钠离子电池容量损失的主要因素

文章来源: 贤集网       发布时间:2019-07-19

作者:James Badham


电池为我们的生活提供动力:我们依靠电池来保持手机和笔记本电脑的嗡嗡声,让我们的混合动力和电动汽车上路。但是,越来越多地采用最常用的锂离子电池实际上可能导致成本增加和锂的潜在短缺——这就是为什么钠离子电池作为一种可能的替代品正在被大力研究的原因。它们性能良好,钠,一种与锂密切相关的碱金属,价格便宜,储量丰富。

材料科学家发现氢是导致钠离子电池容量损失的主要因素

挑战?钠离子电池比锂离子电池寿命短。


现在,加州大学圣巴巴拉分校(UC Santa Barbara)的计算材料科学家克里斯•范•德•瓦勒(Chris van de Walle)及其同事发现了钠电池容量损失的原因:氢的意外存在导致了电池电极的退化。van de Walle和合著者朱震(音译)和Hartwin Peelaers在《材料化学》杂志上发表了他们的发现。


“氢通常在阴极材料的制造过程中存在,也可以从环境或电解液中合成,”现在在谷歌工作的朱说。众所周知,氢对电子材料的性能有很大的影响,所以我们很好奇它对钠离子电池常用阴极材料NamNO2(钠锰二氧化物)的影响。为了研究这一点,研究人员使用了能够预测杂质存在引起的结构和化学效应。

材料科学家发现氢是导致钠离子电池容量损失的主要因素

现在在堪萨斯大学的Peelaers教授描述了关键的发现:“我们很快意识到氢可以很容易地穿透材料,而且氢的存在使锰原子从将材料固定在一起的氧化锰骨架上脱离。这种锰的去除是不可逆的,会导致电池容量下降,最终导致电池退化。”


这项研究是在加州大学圣巴巴拉分校van de Walle的计算材料小组进行的。

材料科学家发现氢是导致钠离子电池容量损失的主要因素

van de Walle说:“早期的研究表明,锰的损失可能发生在与电解质的界面上,也可能与相变有关,但它并没有真正确定触发因素。我们的新结果表明,如果存在氢,锰的损失可以发生在材料的任何地方。由于氢原子小且具有反应性,氢是材料中常见的污染物。既然它的有害影响已经被标记出来,那么在电池的制造和封装过程中可以采取措施来抑制氢的结合,这将导致更好的性能。”


事实上,研究人员怀疑,即使是无处不在的锂离子电池,也可能遭受意外的氢结合的不良影响。目前还不清楚这是否会因为在这个成熟的材料系统中制造方法的进一步进步而导致较少的问题,或者因为锂电池具有更高的抗氢性能的根本原因,这将是未来研究的一个领域。


这项工作由美国能源部科学办公室(DOE)资助。计算资源由能源部支持的国家能源研究科学计算中心提供。


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