日本新工藝 可快速生產全固態鈉電池

鈉離子電池各種電極結構圖解。（維基共享資源）

 

 

【大紀元2024年04月21日訊】（大紀元專題部記者吳瑞昌編譯報導）追求更強大更穩定的電池，已成為現代科技發展的主要目標之一。目前的電池存在易燃、能量密度不足、工作溫度範圍小或製造困難等缺點。日本大阪都立大學開發新工藝，有望提升全固態鈉電池的生產和實用性，甚至還有望取代部分鋰電池。

 

目前地表的鋰金屬含量要比鈉金屬稀缺得多，鈉電池製做成本要比鋰電池便宜許多，因此穩定的全固態鈉電池引起了人們的關注。

 

但不管鈉或鋰製作的固態電池，都存在一些問題。全固態鋰電池本身硫化物容易與空氣中的水分反應，形成有毒的二硫化氫（H2S）。而全固態鈉電池使用的電解質在合成中，因起始材料和產物對溶劑穩定性不佳，容易導致電解質合成出現障礙。

 

另外，全固態鈉電池合成的起始材料裡面含有的硫化物，在高溫合成中會產生有毒的硫蒸氣，因此需要在真空且密封的條件下進行反應。這大大地限制了實驗和製造條件，使人們亟需找到解決這些限制的方法。

 

日本大阪公立大學（Osaka Metropolitan University，OMU）工學研究生院的副教授作田淳（Atsushi Sakuda）和林晃敏（Akitoshi Hayashi）教授領導的研究小組研發出一種可大規模合成含鈉硫化物的工藝，大幅提高鈉離子電解質的電導率和製造效率。這項研究結果今年3月發表在《儲能材料》期刊上。

 

大規模合成具有高電導性和可成型性的電解質，是全固態鈉電池實際應用的關鍵。該團隊合成的含鈉硫化物電解質，主要由鈉（Na）、銻（Sb）、鎢（W）、硫（S）高離子導體和電極保護層硼三硫化鈉（Na3BS3）玻璃建構而成，使其電導率比實際所需高出約10倍。

 

他們使用無水硫化鈉（Na2S）和硫（S）作為材料和促進聚變的助熔劑，形成熔點275°C的四硫化二鈉（Na2S4），而反應剩餘的鈉與四硫化二鈉反應形成熔點470 °C的硫化鈉（Na2S2）。這些產物要比熔點1180°C無水硫化鈉還要低，但比硫的熔點116°C要高。

 

這種工藝使製作固體硫化物電解質不再需要密閉、無氧的環境。它使多硫化鈉的熔點在硫化鈉和硫之間，成為助熔劑增加化學計量反應物，解決了材料不穩定性和容易蒸發的問題，有助於全固態鈉電池的電解質被快速合成出來。

 

另外，實驗人員使用硼三硫化鈉玻璃和由鈉、銻、鎢、硫組成的全固態鈉電池進行充放電性能、倍率性能和循環性能的測試，發現在進行正常的300次的充放電後，該電池的容量仍維持130mAh/g，即仍有76%的電容量，而庫侖效率還在100%。

 

另外，這種擁有新電解質的電池在25℃溫度和1.2V到2.4V之間能夠正常運作，且電流密度範圍為0.13至1.02mA/cm-2。而含有多金屬電解質的電導率為125mS/cm，該數值比普通的電解質的電導率高出許多。

 

作田副教授對該校的新聞室表示，「這種新開發的製程，幾乎可生產所有含鈉硫化物材料，包括固體電解質和電極活性材料。另外，這種新製程與傳統方法相比，更容易獲得那些高性能的材料，因此我們相信它將成為未來全固態鈉電池材料開發的主流工藝。」

 

責任編輯：連書華