科学家发现高性能，低成本的钠离子电池

在中右图像中，在伯克利实验室使用X射线技术生产，在电池电极材料中的锰化学探索中存在明显的对比。另一种技术，称为SXA（左图）不会透露相同的对比度。(

科学家们发现了一种元素锰的新化学状态。这一化学状态首先提出约90年前，使高性能，低成本的钠离子电池能够快速有效地存储和分配由电网的太阳能电池板和风力涡轮机产生的能量。

这种含锰电池组件中先前未经证实的充电状态的直接证明可以激发新的电池创新探索途径。

美国能源部的X射线试验劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）是该发现的关键。研究成果于2月28日公布，在自然通信期刊。

伯克利实验室和纽约大学的科学家参加了该研究，该研究由Natron Energy的研究人员领导，以前的Alveo Energy，Palo Alto，加利福尼亚州的电池技术公司。

为该研究提供的Natron能量的电池具有对阳极的非常规设计，这是其两个电极之一。与锂离子电池中使用的阳极设计相比，用于钠离子电池的阳极仍然是研发的主动焦点。

该最新研究中的阳极是由元素的混合物 - 包括锰，碳和氮气的混合物 - 在化学上类似于称为普鲁士蓝的含铁涂料颜料的公式。

在钠离子电池中实现高性能的阳极材料的原子结构。标记钠（Na）原子和锰（Mn）原子。(

“通常，在锂离子和钠离子电池中，阳极更常用，”伯克利实验室先进光源的员工科学家，在电池实验中使用的X射线来源说。

但是在这种情况下，两个电池的电极都利用了相同类型的基于称为“过渡金属”的元件，因为它们可以表现出各种带电状态。另一个电极，称为阴极，含有铜，氮气，碳和铁。

“这里的非常有趣的部分是两个电极基于同一类型材料中过渡金属的化学性，”他加入了阴极中的铁和阳极中的特殊锰化学。

“利用电池中两个电极利用这种材料的直接益处之一是，两个电极都不会将电源，循环寿命或设备的成本基本上不受限制地限制，”Natron能量首席执行官Colin Wessells说。当研究人员报告他们的最新研究时，电池突出了能量的循环寿命和价格目标的价格目标。

Wessells指出，电池非常稳定，其材料丰富，其整体成本与常规铅酸电池具有竞争力，其具有比传统电池更小的环境足迹。

电池已被证明，以非常快速，五分钟的放电，将其总能量高达90％，并保留约95％的放电容量为1,000个循环。它提供了一种用于电网的基于重力的能量存储系统的替代品，其中水被泵送了上坡，然后按需发布电力。

只要电池如何实现高性能，令人困惑的研究人员。

有猜测，约会回到1928年德语杂志文章，即锰可以存在于所谓的“1-加上”或“单价”状态中，这意味着该状态的锰原子仅失去单个电子。这是不寻常的，因为锰原子通常被众所周知，在化学反应中放弃两个或更多个电子，或者没有电子，但不仅仅是一个电子。

这种新的化学状态将使可用于电池阳极的电压范围。但没有任何测量证实这种单价的锰。

Natron Energy研究人员在伯克利实验室的分子铸造厂，纳米科学中心进行了电池材料，然后为某些样品电池电池提供了用于在ALS进行研究。

使用一种称为软X射线吸收光谱的ALS的第一轮X射线实验似乎主要显示出2种锰的2种形式。

“我们只在初始测试中抓住了一个提示（其他形式），并且必须严重依赖理论猜测不同的国家，”纽约大学的Andrew Wray表示，他们进行了理论计算。

然后，团队转向了ALS的新建系统，以原位共振无弹性X射线散射或IRIX被称为。该技术提供了材料内部化学物质的高灵敏度探针，在电池充电和放电循环期间显示了电子中的触摸膜。

“非常明确的对比立即与rixs出现，”杨说。“我们后来意识到锰1-Plus的表现非常非常接近于其他传统光谱中的典型的2多状态，”这就是为什么它难以检测到这么多数十年。

绞合补充说：“rixs的分析结果不仅证实了锰1加国家;它还表明，产生这种状态的特殊情况使得电子更容易在材料中行进。这可能是这样的原因，这种不寻常的电池电极表现得很好。“

Wessells指出，基于实验室测试的基于实验室测试的电池的商用原型进入了客户Beta测试。除了网格应用外，Natron能源还推动了数据中心的应急电力技术，以及其他可能的应用中的重型设备，如电动叉车等。

杨表示，最新研究中解决的化学益智可以在新型电池电极中激发其他研发。“电池的操作可以推动我们在传统思维中不存在的非典型化学品的出现。他说，这种基本的理解可以触发其他新颖的设计，并在电极材料上睁开我们的传统智慧之外的眼睛。

“这项研究就像一个完美的套餐，伴随着行业，国家实验室和大学贡献，”杨说。

先进的光源和分子铸造厂是科学用户设施的DOE办公室。

该工作得到了美国能源部先进的研究项目局 - 能源部，能源科学办公室，伯克利实验室的实验室指导研发计划和国家科学基金会的支持。

出版物：Ali Firouzi等，“基于单价锰的阳极和共同溶剂电解质，用于稳定的低成本高速钠离子电池，”自然通信，第9卷，“物品编号”：861（2018）DOI：10.1038 / S41467-018-03257-1