随着全球对电动汽车和可再生能源存储的需求激增，市场对经济实惠且可持续的电池技术的需求也随之增长。

据外媒报道，由莱斯大学（Rice University）材料科学与纳米工程系的研究人员领导，贝勒大学（Baylor University）和印度科学教育与研究中心特里凡得琅分校（Indian Institute of Science Education and Research Thiruvananthapuram）的研究人员参与的研究小组提出一种可能影响电化学储能技术的创新解决方案，并将相关研究论文发表于期刊《Advanced Functional Materials》。

图片来源： 莱斯大学

该团队利用石油和天然气工业的副产品，研究出形状独特的碳材料——微小的锥体和圆盘状——具有纯石墨结构。这些通过碳氢化合物的可扩展热解产生的非同寻常的形状，或许有助于解决电池阳极研究中一个长期存在的挑战：如何利用钠和钾等比锂更便宜、更易获取的元素来储存能量。

“多年来，我们都知道钠和钾是锂的诱人替代品，”莱斯大学Benjamin M. and Mary Greenwood Anderson工程学教授、通讯作者Pulickel Ajayan说道。“但一直以来的挑战是如何找到能够有效储存这些较大离子的碳基阳极材料。”

打破石墨壁垒

传统锂离子电池依赖石墨作为阳极材料。然而，同样的石墨结构在钠或钾方面却行不通。它们的原子太大，相互作用过于复杂，无法在石墨紧密堆积的层间滑进滑出。

但通过从微观层面重新思考碳的形状，该团队找到了一种解决方法。锥体和盘状结构提供了合适的曲率和间距，可以容纳钠和钾离子，而无需化学掺杂（即有意添加少量特定原子或分子以改变其性质的过程）或其他人工修饰。

“我们很惊讶地发现这些纯净的弯曲石墨结构表现得如此出色，”第一作者、Ajayan实验室的博士后研究员Atin Pramanik说道。“即使没有杂原子，它们也能实现钠离子的可逆嵌入，并且结构应力极小。”

耐用、可扩展且环保

在实验室测试中，碳锥和碳盘使用钠离子时，每克可储存约230毫安时（mAh/g）的电量，即使经过2,000次快速充电循环后，仍能保持151 mAh/g的电量。它们也能与钾离子电池良好配合，但性能不如钠离子电池。

低温透射电子显微镜和固态核磁共振等先进成像技术证实，离子能够按预期进出碳结构，并且该材料在数千次充放电循环中仍能保持其形状。

“这是首次清晰地证明钠离子如此稳定地嵌入纯石墨材料，”Pramanik说道。“它挑战了纯石墨无法与钠共存的固有观念。”

其影响深远。这不仅为更经济实惠的钠离子电池铺平了道路，而且还减少了对锂的依赖。由于锥/盘状碳可以从石油和天然气工业的副产品中合成，它也为电池阳极生产提供了一种更可持续的途径。

电池设计的转折点

虽然该领域的大多数研究都集中在硬碳或掺杂材料上，但这项新研究标志着战略的一次转变——强调形貌而非化学改性。

“我们相信这一发现为电池阳极开辟了新的设计空间，”Ajayan说道。“我们改变的不是化学成分，而是形状，事实证明这同样令人感兴趣。”

“我们不仅仅是在开发一种更好的电池材料，”Pramanik说道。“我们正在提供一条真正的储能途径，它更清洁、更便宜、更普及。”