随着全球对储能需求的增长，钠离子电池正逐渐成为锂电池的一种更经济、更环保的补充。据外媒报道，布朗大学（Brown University）工程师的研究揭示了钠在钠离子电池内部的行为机制，为优化钠离子电池的稳定性和能量密度提供了新的负极材料设计规范。

图片来源： 布朗大学

“这项研究有助于我们理解钠离子电池中碳材料内钠的存储机制，”领导这项研究的布朗大学工程学院博士后研究员Lincoln Mtemeri表示，“这为合成能够最大限度提升电池整体性能的理想负极材料提供了指导。”

该研究相关论文发表于期刊《EES Batteries》。

锂离子电池目前广泛应用于可充电电子产品和电动汽车。它们性能良好，但日益增长的储能需求，尤其是在增强电网韧性方面，需要更多选择。钠离子电池提供了一种具有显著潜在优势的替代方案。钠价格低廉且储量丰富，这可以降低生产成本并减少破坏性采矿的需求。

然而，钠离子电池的商业化仍处于起步阶段，研究人员仍在不断改进其基本设计。一个悬而未决的问题是，哪种材料结构最适合用作钠离子电池的负极——即电池充电过程中存储钠原子的一侧。锂离子电池的负极通常由石墨制成，但研究表明石墨在钠存储方面表现不佳。因此，科学家们转向了“硬碳”——一种可以通过加热多种含碳材料（从木材到糖）制成的材料。

“如果你问10个人硬碳的结构是什么，你会得到10个不同的答案，”布朗大学工程学院教授、该研究的合著者Yue Qi表示。“由于缺乏对结构-性能关系的了解，这种结构的不确定性给阳极材料的设计带来了重大难题。”

先前的研究表明，钠的储存可能发生在硬碳结构中形成的微小孔隙中。但这种储存的具体方式，以及孔隙尺寸如何促进储存，此前尚不清楚。在这项新研究中，Mtemeri研究了一种名为沸石模板碳（ZTC）的碳材料，这种材料可以制成具有明确纳米孔网络的结构。Mtemeri以ZTC作为硬碳孔隙框架的模型，并利用自定义算法模拟孔隙填充过程，运用密度泛函理论（DFT）计算技术研究了钠在纳米孔中的行为。

研究表明，当钠原子被引力吸引进入孔隙时，它们首先通过离子键排列在每个孔的壁上。壁被覆盖后，更多的钠原子以金属簇的形式填充孔隙中心。研究人员表示，钠的双重储存模式——沿壁的离子键和向孔隙中心的金属键——至关重要。混合的离子钠和金属钠有助于降低阳极电压，从而提高电池的总电压（电池的总电压等于阴极电压减去阳极电压，因此阳极电压越低越好）。同时，离子钠可以防止金属钠沉积，金属钠沉积会导致阳极孔隙间短路。

“这有助于我们确定孔隙的最佳尺寸，”Mtemeri说道。“我们发现，大约一纳米的孔径能够保持我们所需的离子性和金属性的良好平衡。”

研究人员表示，这些发现为在实验室中制造硬碳负极（或任何具有此类多孔结构的碳材料）提供了一些具体的设计规范。这可能有助于为钠离子电池未来的商业应用铺平道路。

“钠的储量是锂的1000倍，这使其成为一种更可持续的选择，”Qi说道。“现在我们确切地了解了哪些孔隙特征至关重要，这使我们能够据此设计负极材料。”