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康奈尔大学工程师发现钠离子电池产生关键缺陷的原因

来源：盖世汽车时间：2022-02-14 13:22:05

据外媒报道，康奈尔大学（Cornell University）的研究人员发现了长期限制钠离子电池耐用性的根源，并为制造商提供赋能21世纪的新策略。

（图片来源：Jason Huang）

钠离子电池由丰富的材料制成，具有能量密集、不易燃等特点，且在较低温度下运行良好，因此是电动汽车、能源网等应用领域十分具有前景的技术。但是工程师们称该电池的化学反应还不够完善。虽然现代电子产品中的锂离子电池可以充电数千次，但大多数钠离子电池只能循环其中的一小部分。

其耐久性差是因为随着离子穿过电池无序晶体结构并最终破坏了该结构，电池运行中的特定原子重组P2-O2会相变。虽然研究人员对相变很感兴趣，但其背后的机制一直难以研究，尤其是在电池运行期间。

康奈尔大学研究小组发现，随着钠离子在电池中移动，单个颗粒内晶体层的错误取向会增加，然后这些层会在P2-O2相变前突然对齐。材料科学与工程助理教授Andrej Singer表示：“我们发现了一种新的关键机制。在电池充电期间，原子会突然重新排列并促进有缺陷的相变。”

通过使用康奈尔高能同步加速器源（High Energy Synchrotron Source），该团队开发出一种新的X射线成像技术，因此能够观察到这一现象，从而能够实时和大规模地观察电池样品中单个粒子的行为。

Singer称：“意外的原子排列在传统的粉末X射线衍射测量中是不可见的，因为它需要看到单个阴极纳米粒子的内部。但如今高通量数据可使我们能够揭示该微妙但关键的机制。”

凭借该发现，研究团队为其使用的钠离子电池类型提出全新设计方案，并计划在未来研究项目中进行调查。研究第一作者、博士生Jason Huang称其中一种解决方案是修改电池化学成分，在有缺陷的过渡阶段前给粒子引入一种战略性无序。

Jason Huang表示：“通过改变我们的过渡金属（如镍和锰）的比例，我们可以引入一些无序，并尽可能降低我们观察到的有序效应。”

Huang称新的表征技术可用于揭示其他纳米粒子系统中的复杂相行为，但其最佳应用可能仍处于下一代储能技术中。Huang表示：“我们将更加了解钠离子电池，并推动相关前沿技术的发展。通过利用这些知识，我们可以设计出更好的电池将，从而解锁未来实际应用。”

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