1980年左右科學(xué)家便發(fā)現(xiàn)，

人體中存在的某種成分可以用來(lái)做電池， 由于某些原因被世人所忽略， 近些年來(lái)又有人進(jìn)行了深入的研究， 還做出了實(shí)物電池，近日相關(guān)研究成果首次亮相Science雜志，

這一成分便是——鈉離子

今日主角！

說(shuō)起鈉離子電池，一個(gè)繞不開(kāi)的話題就是能源互聯(lián)網(wǎng)。

“電動(dòng)中國(guó)”

未來(lái)的互聯(lián)網(wǎng)概念已經(jīng)不僅局限于信息領(lǐng)域，能源互聯(lián)網(wǎng)（最早于2008由德國(guó)提出）在我國(guó)也從最早的困惑期走進(jìn)了落地期（2018年為重要轉(zhuǎn)折年），由陳立泉院士提出的“電動(dòng)中國(guó)”的構(gòu)想已經(jīng)開(kāi)啟！能源互聯(lián)網(wǎng)涵蓋取材、轉(zhuǎn)換、輸配、存儲(chǔ)、使用五個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

能源的存儲(chǔ)，簡(jiǎn)稱(chēng)儲(chǔ)能，是連接能量供給與消費(fèi)的關(guān)鍵一環(huán)，相關(guān)的技術(shù)種類(lèi)繁多，各有特點(diǎn)。比如，你現(xiàn)在手里的手機(jī)中的鋰離子電池。

目前鋰離子電池的綜合性能是所有電池技術(shù)中最優(yōu)秀的，但是有限的鋰資源以及我國(guó)高達(dá)80%的鋰資源對(duì)外依存度，使鋰離子電池很難同時(shí)滿足未來(lái)我國(guó)大規(guī)模儲(chǔ)能、電動(dòng)交通工具以及消費(fèi)電子的需求。

壓力著實(shí)很大……

而鈉離子電池的歷史使命便是大規(guī)模儲(chǔ)能！

鈉離子電池是什么

鈉離子電池是一種可充放電電池，與鋰離子電池的工作原理基本相同，依靠鈉離子在正負(fù)極之間可逆脫出和嵌入實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)與輸出。

鈉資源在地殼中的儲(chǔ)量極其豐富（地殼豐度是鋰的1000倍以上），而且綜合性能已經(jīng)向鋰離子電池靠近，在成本方面已經(jīng)展現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(shì)（儲(chǔ)存相同的能量，成本比鋰離子電池少30%左右），很可能成為未來(lái)鋰離子電池的補(bǔ)充技術(shù)。

從目前的最新的研究進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)鈉離子電池不僅具有鈉資源儲(chǔ)量豐富、分布廣泛、成本低廉、無(wú)發(fā)展瓶頸、環(huán)境友好和兼容鋰離子電池現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備的優(yōu)勢(shì)，還具有較好的功率特性、寬溫度范圍適應(yīng)性、安全性能和無(wú)過(guò)放電問(wèn)題等優(yōu)勢(shì)。

鈉離子電池的正極材料

正極、負(fù)極、電解質(zhì)作為鈉離子電池最重要的三大部分一直是研究、產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的研發(fā)重心，誠(chéng)然每個(gè)部分都很重要，但是本文的側(cè)重點(diǎn)在正極（后面你就知道為什么啦！）

正極的性能的提升目前是鈉離子電池重點(diǎn)攻克要點(diǎn)，而含鈉層狀氧化物（示意圖中畫(huà)的便是此類(lèi)）又是最重要的正極材料之一。 大多數(shù)層狀含鈉層狀氧化物正極材料是發(fā)黑的粉末（也有綠色、褐色之類(lèi)的），科學(xué)家們借助先進(jìn)的儀器設(shè)備可以將粉末放大數(shù)千倍去看顆粒的形狀，或者上億倍去觀察原子的排布，可以發(fā)現(xiàn)不同的材料居然可以呈現(xiàn)出不同的排列形式。

科學(xué)家給不同的形式以不同的代碼，以大寫(xiě)英文字母（如O或P）后面加上數(shù)字（2、3等等）。其中英文字母表示每個(gè)鈉離子在層間所擁有的“私人空間”，P代表三棱柱形，O代表八面體形，數(shù)字表示最小層的重復(fù)周期。

所有結(jié)構(gòu)中，以P2和O3為最多，材料學(xué)有句很有名的話——“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”，O3與P2微觀結(jié)構(gòu)不同，這也使這兩類(lèi)正極材料表現(xiàn)出不同的優(yōu)缺點(diǎn)（下圖中列出）。

層狀氧化物類(lèi)正極材料不僅綜合性能較為優(yōu)異，合成方法簡(jiǎn)單（多為固相燒結(jié)法），而且還有一個(gè)重要的優(yōu)勢(shì)：可以選擇的過(guò)渡金屬元素很多！ 從周期表的Ti連續(xù)到Cu均可作為鈉離子電池層狀氧化物的主要成分，其中不乏價(jià)格低廉的Mn、Fe、Cu等元素。而鋰離子電池層狀氧化物（三元正極、鈷酸鋰等）中則以Ni、Co和Mn為主，其中Ni和Co的價(jià)格相對(duì)較高，這使得鈉離子電池成本優(yōu)勢(shì)更為突出。

這個(gè)問(wèn)題誕生于鈉離子電池誕生之時(shí)，伴隨著鈉離子電池的成長(zhǎng)至今……期間有不少研究者對(duì)其中的規(guī)律進(jìn)行過(guò)總結(jié)歸納，找到了一些大致規(guī)律，但是關(guān)鍵成因仍然懸而未決。 難道，又要“遇事不決，量子力學(xué)？”

P2或O3，40年謎題終有答案

中科院物理所胡勇勝課題組近期一篇發(fā)表在《Science》雜志文章解釋了這一現(xiàn)象。 首先要大致確定會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響的主要因素，一般而言O(shè)3結(jié)構(gòu)中Na層層間距要小于P2的，該課題組早期總結(jié)發(fā)現(xiàn)O3和P2兩種結(jié)構(gòu)材料的Na層間距（d(O-Na-O)）和過(guò)渡金屬（TM）層間距（d(O-M-O)）的比值有一個(gè)臨界值1.62，比值高于1.62通常形成P2相，低于1.62易形成O3相。

第一個(gè)影響因素顯然是原子的尺寸，或者說(shuō)是直徑。 進(jìn)一步的研究還發(fā)現(xiàn)，使用不同價(jià)態(tài)、相同過(guò)渡金屬，或者相同價(jià)態(tài)、不同過(guò)渡金屬元素會(huì)獲得不同的結(jié)構(gòu)。這表明離子的帶電荷數(shù)也是重要因素之一。 那么如何使用兩個(gè)因素呢？ 現(xiàn)有的公式中還真有將離子半徑和離子電荷數(shù)結(jié)合的公式，叫離子勢(shì)。

離子勢(shì)最早由G.H.Cartledge提出，用以推斷堿金屬和堿土金屬氫氧化物堿性。在R(OH)x中，若R的Φ值大，氧原子的電子云將偏向R，使O-H鍵極性增強(qiáng)，則R-O-H發(fā)生酸式解離；若R的Φ值小，R-O鍵極性強(qiáng)，則R-O-H發(fā)生堿式解離。 雖然，這個(gè)理論可以用來(lái)幫助定性理解Na-O-TM之間對(duì)O的爭(zhēng)奪關(guān)系，但是顯然，這個(gè)公式并不能用以直接解釋O3或P2的成因。 接下來(lái)，需要變形。

胡勇勝等特此定義了一個(gè)新的物理量“陽(yáng)離子勢(shì)”，公式如下所示，這個(gè)物理量將元素價(jià)態(tài)（電荷數(shù)）和半徑，甚至還將不同原子之間的相互作用引入其中，形成了一個(gè)信息量巨大的新物理量。

通過(guò)對(duì)上百個(gè)已報(bào)道以及新設(shè)計(jì)合成的材料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)了一條涇渭分明的分界線，理論預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常契合！ 這樣，以后材料設(shè)計(jì)就更加有的放矢了。

鈉離子電池，大有可為

鈉離子電池在經(jīng)過(guò)40年的基礎(chǔ)研究、技術(shù)積累后，終于迎來(lái)了產(chǎn)業(yè)化的階段，隨著技術(shù)的不斷更迭換代，距離實(shí)現(xiàn)其“大規(guī)模儲(chǔ)能”的使命越來(lái)越近，其中層狀氧化物正極扮演了重要的角色。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：震驚，這種電池成分早已在人體中富集

文章出處：【微信公眾號(hào)：中科院半導(dǎo)體所】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。