新材料是迈向稳定高压长寿命固态电池的下一步

一组研究人员为固态钠离子电池设计并制造了一种新的钠离子导体，这种导体在与更高电压的氧化物阴极结合时是稳定的。这种新的固体电解质可以极大地提高这类电池的效率和寿命。用这种新材料制造的概念验证电池持续了1000多个循环，同时保留了89.3%的容量，这是迄今为止其他固态钠电池所无法比拟的性能。

研究人员在2021年2月23日出版的《自然通讯》（Nature Communications）杂志上详述了他们的研究结果，更便宜，更耐用的电池。钠离子化学特别有前景，因为钠的成本低且丰富，而锂离子电池所需的锂是以高昂的环境成本开采的。其目标是制造可用于大规模电网储能应用的电池，特别是储存可再生能源产生的电力，以缓解峰值需求。

“工业界希望电池的成本为每千瓦时30至50美元”，约为目前成本的三分之一至五分之一，Shirley Meng说，加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授，论文通讯作者之一。”这项工作是加州大学圣地亚哥分校和加州大学圣巴巴拉分校、石溪大学、印度加尔各答TCG科学技术研究和教育中心以及壳牌国际勘探公司的研究人员合作完成的，对于自然通讯研究中描述的电池，由加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授Shyue ping Ong领导的研究人员通过一个机器学习模型进行了一系列的计算模拟，以筛选出哪种化学物质对带有氧化物阴极的固态电池具有正确的性能组合。一旦一种材料被选为很好的候选材料，孟的研究小组就通过实验制造、测试和表征它，以确定它的电化学性能。

通过在计算和实验之间快速迭代，加州大学桑地戈分校的研究小组确定了一种由钠、钇，锆和氯化物。他们将这种材料命名为NYZC，它既具有电化学稳定性，又与用于更高电压钠离子电池的氧化物阴极具有化学相容性。研究小组随后联系了加州大学圣巴巴拉分校的研究人员，以研究和了解这种新材料的结构特性和行为。

NYZC是基于Na3YCl6，一种众所周知的材料，不幸的是它是一种非常差的钠导体。翁建议用锆代替钇，因为它会产生空位并增加电池单元的体积，这两种方法可以增加钠离子的传导。研究人员还注意到，随着体积的增加，这种新材料中锆离子和氯离子的结合会发生旋转运动，导致钠离子有更多的传导途径。除了导电性增加外，卤化物材料比目前用于固态钠离子电池的材料稳定得多。

“这些发现突出了卤化物离子导体在固态钠离子电池应用中的巨大潜力，”Ong说此外，它还强调了大规模材料数据计算与机器学习相结合对材料发现过程的变革性影响。”

下一步包括探索这些卤化物材料的其他替代物，提高电池的整体功率密度，这项技术已经获得了UNIGRID的许可，UNIGRID是一家由加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授郑晨、孟教授研究小组的博士毕业生Erik Wu和孟教授的博士生Darren H.s.Tan共同创立的初创公司。Meng是公司的技术顾问。

支持这项工作的资金由能源与生物科学研究所通过EBI壳牌计划和NSF提供。

视频：<a href='https://www.youtube.com/watch？v=Ve0Ck6y kBM&feature=emb\u徽标“>https://www.youtube.com/watch？v=Ve0Ck6y kBM&feature=emb\u徽标

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University of California - San Diego. "New material is next step toward stable high-voltage long-life solid-state batteries." ScienceDaily. ScienceDaily, 23 February 2021. <www.sciencedaily.com/releases/2021/02/210223110353.htm>.

University of California - San Diego. (2021, February 23). New material is next step toward stable high-voltage long-life solid-state batteries. ScienceDaily. Retrieved February 23, 2021 from www.sciencedaily.com/releases/2021/02/210223110353.htm

University of California - San Diego. "New material is next step toward stable high-voltage long-life solid-state batteries." ScienceDaily. www.sciencedaily.com/releases/2021/02/210223110353.htm (accessed February 23, 2021).