NO.1650 钠金属电池有什么新进展?


你好,这里是罗胖精选。

今天给你推荐的是孙亚飞老师的《材料科学前沿报告》。

孙亚飞老师是一位高分子材料工程师,他出版和翻译了很多化学的科普著作。我们都知道,很多科技突破都是由材料驱动的,而材料科学的进展是我们预判硬科技趋势的重要抓手。

就拿现在很热的新能源行业来说,过去我们用得比较多的是锂离子电池,但是,其他材料,比如钠电池,这两年也取得了突破性的进展。那么,钠电池和锂离子电池究竟有什么不同?它可能给新能源行业带来哪些变局呢?

这正好是孙亚飞老师最熟悉的领域。接下来,我们一起来听听孙老师是怎么说的。

你好,欢迎来到《材料科学前沿报告》,我是孙亚飞。

这一讲,我们来看一种新型电池材料:可以充电的钠电池。

拿下这个成果的,是一位太平洋彼岸的华裔美国科学院院士,斯坦福大学的材料科学家戴宏杰。他的课题组,用材料合成技术,解决了钠电池中一项关键的瓶颈,成果发表在今年8月出版的《自然》杂志上。这项研究,有可能从根本上解决一大类电池无法应用的困局。

这些成绩听起来特别了不起,但你可能心里没什么概念。毕竟平时一说到电池,我们听到最多的就是锂电池,或者锂离子电池。

还有固态锂离子电池,我专门在2020年的《材料科学前沿报告》里介绍过。当时我还预测了它会非常火爆,后来也在2021年的市场上得到了印证。既然已经有这么前沿的电池材料了,为什么我还要给你介绍另一种,你几乎从来没听说过的钠金属电池呢?

这是因为,锂离子电池虽然是个好材料,但从资源储备来看,锂,作为锂离子电池中最核心的资源,在全世界的储量并不是特别丰富。尤其是最近几年来,抢锂大战频频发生。所以,材料学家在研究锂离子电池的同时,也在探索其他电池材料。

而钠金属,作为锂金属的同族元素,再一次进入材料学家的视野。

所谓同族元素,就是化学性质非常相似的元素。比如锂之所以能用来做金属电池材料,就是因为锂金属跟氧气发生化学反应后,能释放巨大的能量,钠金属也是如此。所以,材料学家推测,锂能做到的工作,钠也很可能做到。

更何况,相比于锂来说,钠在地球上的分布,可就要大得多了。特别是在海洋里,钠可以说是取之不尽,用之不竭,这也是锂不具备的优势。

钠金属这么普遍,材料学家不可能现在才考虑用它做电池呀?没错,钠电池确实不是新鲜事物,它是曾经被锂离子电池淘汰的金属电池。原因很简单,因为它不能充电,电池用完后就相当于废弃了,所以利用效率就不高。

想想看,要是我们的智能手机,每次用到没电,就要换一块电池,是不是特别不方便?

那过去被淘汰的钠电池,为什么又重新回到了材料学家的视野呢?我前面给你介绍的戴宏杰院士的成果,就是让不能充电的钠电池,能像锂离子电池那样,可以反复充电使用。

这一讲,我们就来具体看看这个了不起的前沿材料。

既然咱们介绍的是一种电池材料,我还是要再带你复习一下,金属电池的工作原理。

前面我们说了,锂金属在日常条件下,就能和空气中的氧气发生氧化反应,释放很多能量。这是比较危险的,但如果我们控制一下这种化学反应的速度,让它不要那么剧烈,再把这种能量以电的形式释放出来,这样一来,金属锂就成了一种电池,也叫锂金属电池。

不过,锂金属发生完化学反应之后,原来的金属就都被消耗掉了,变成了氧化物。这就相当于说,电池的电量消耗完以后,很难充电再次利用。

但是,把锂金属转化为锂离子,用锂离子做的电池就不一样了。跟锂金属电池不一样,锂离子电池在放电过程中,不会发生化学反应,而是靠锂离子的运动。这个好处是,电池放完电以后,我们还可以再给它充电,反复使用。形象来说,锂离子就像是水坝里的水,放电就是把水从高处泄到低处,充电的时候,就是又把水抽到高处。

复习完金属电池的工作原理,你可能最先想到的问题是,既然钠跟锂是同族元素,锂可以开发出好用的锂离子电池,那是不是钠也可以直接开发出钠离子电池呢?这不是也是一个解决方案吗?干嘛一定要转回去研究,给钠金属电池充电呢?

实际上,已经有企业在这么做了。就在2021年5月,锂离子电池行业领跑者之一的宁德时代,宣布自己将进军钠离子电池行业,以此作为锂离子电池的后续技术。消息传出,原本就很热闹的电池市场,几乎被引爆了一样。宁德时代当然有自己的战略,这个我们不去评价。

但对从事材料研究的人来说,客观地讲,虽然钠的资源比锂丰富,但钠离子电池相比于锂离子电池来说,并不先进。

从市场上看,钠离子电池也已经出现好几年了,欧洲早在2018年就把它作为一种战略目标,好缓解锂资源紧张的压力。

从技术上看,钠离子电池的几个关键指标,比如能量密度、功率密度等等,都要比锂离子电池差不少。能量密度,说的是电池的持续放电的能力,就是一块电池能用多长时间,好比电池的“耐力”。功率密度说的是电池瞬间释放的功率,就是电池放电的速度,好比电池的“爆发力”。

钠离子电池跟锂离子电池出现这么大差距,主要是因为,在携带相同电荷的情况下,钠离子要比锂离子大两倍。换句话说,同样体积跟质量的钠离子电池,发电效率要比锂离子电池小很多。

你听着可能觉得很抽象,我给你打个比方。

如果说锂离子电池是一匹马的话,那么钠离子电池就好比是一头驴。马比驴贵,养一匹马的成本够养好几头驴。但与此同时,马的爆发力和耐力也比驴更强。所以马可以打仗,但是拉磨这种不太着急的事主要交给驴来干。

总而言之,在技术人员看来,钠离子电池并没有太多惊艳的表现。

钠离子电池的性能不如锂离子电池好,那么钠金属电池的表现,和锂离子电池相比怎么样呢?

对比看钠金属和锂金属的化学反应,钠的转化效率不如锂,但是钠的反应,却要比锂剧烈得多,也就是说,钠金属的耐力虽然差了点,但是爆发力惊人。这种差距,我们可以用一组电池的电压数据来说明:

锂离子电池的电压,在3.5到3.7伏之间,我前面说爆发力不太好的钠离子电池,只有不到2.5伏,而钠金属电池的电压,最高却可以达到4伏左右,超过了锂离子电池,这就是让人眼前一亮的表现了。

按照前面的比喻,如果说锂离子电池的耐力是一匹马的话,锂金属电池更强,是一头骆驼。那钠金属电池就好比瘦一些的骆驼。虽然不如锂金属电池,但是瘦死的骆驼,比马大。

还有我们生活中的一个数据,也可以提供给你感受下。比如我们现在汽车用的动力电池,比较通用的能量密度,在每公斤300瓦时以下,正在研制400瓦时级别的电池,实验室里可以达到每公斤700-800瓦时的水平。

钠电池呢,最高可以到每公斤9000瓦时左右。这个差距可以说非常明显。

唯一的缺陷,就是我前面说的钠电池不能充电的问题了,这就好比是烧燃料,一旦烧完,就再也回不去了。

如果这种电池能充电呢?那简直可以用如虎添翼来形容。

问题找出来了,但是解决方法还是很不好找。从上世纪70年代以来,科学家们就一直在寻找充电的方法。一直到最近这些年来,各路材料学家也还在为此出谋划策。可以说,给钠电池充电这个问题,一直被卡得不能动弹。

说到这儿,你也就明白了,为什么戴宏杰院士的这项成果如此重要。他真正解决了困扰材料学家五十多年的大难题。

戴宏杰院士原本的研究领域不是电池,而是碳纳米材料。但非常具有戏剧性的是,反而是戴院士研究出来的碳纳米材料的成果,成为攻克钠金属电池充电问题的金钥匙。这又是怎么一回事呢?

这就要说回我特别擅长的一种材料了,它也是我在2020年的报告里介绍过的,叫作介孔二氧化硅分子筛。这种名字特别不好记的材料,研发的方法叫溶胶凝胶法。简单来说就是先把材料酸化,再用碱给它中和。

而戴院士用的方法,和我的这个方法正好相反,是先把材料碱化,再用酸给它中和,叫作施特贝尔法(Stöber)。这个方法可以制作出形状非常均匀的小球。摆在一起,有点像围棋盘上的棋子。

戴院士就是用这种方法合成出了纳米级的碳球,这些碳球不仅可以导电,而且内部还有许多孔隙。巧妙的是,这些孔隙大小合适,刚好可以让钠原子通过。所以把它们拿来做钠电池内部的导电材料正好。

戴宏杰把这些纳米碳球,做成了钠电池的正极材料,并把氯气作为氧化剂,用一种叫亚硫酰氯的物质作为电解液。结果,神奇的一幕出现了:

钠原子不仅可以在碳球里被氧化,而且还可以在这些材料的作用下,再发生可逆反应,从而实施充电的功能。

翻译一下就是,先用材料约束钠原子的活动轨迹,同时再采用合适的化学反应,完成充电流程。

假如我们把化学性质活跃的钠元素,比作一个调皮的小孩,平时他能量很强,到处乱跑,就是不爱好好吃饭。现在家长把所以吸引他注意力的东西都关掉,用一桌子好菜,把孩子的注意力拉回到饭桌上,这样他才会乖乖地吃起饭来。

更重要的是,戴院士的这项成果,不仅仅对钠金属电池有效,实际上,它对一大类通过金属氧化反应放电的电池,也可能是通用的。课题组就以同样的方法,在实验室做出来了可充电的锂金属电池。

在电池领域中,除了钠金属电池、锂金属电池,还有一种叫铝空气电池的装置,性能甚至比钠金属电池还要好,同样也是卡在了不能充电的难题上。说不定它也可以借鉴戴院士的这一整套方法。

我非常喜欢戴院士和他的课题组研发这种可充电电池的思路和过程,也特别看好这个成果。它生动地诠释了,前沿材料将会如何主宰前沿科技,再到前沿应用的方向。

最后我再多提一句,戴院士的母校是清华大学,戴院士也是我的校友。这些年来,戴院士一直心系母校的发展,他以清华大学为基地创办了期刊《纳米研究》,这也成为了国际同行了解中国纳米科学研究的重要窗口。

好,这一讲就到这里,下一讲,我们介绍一种神奇材料,能发电的防火服。

我是孙亚飞,我们下一讲见。