日本新工藝 可快速生產全固態鈉電池

【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。」

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