我们来看一种新型电池材料：可以充电的钠电池。
拿下这个成果的，是一位太平洋彼岸的华裔美国科学院院士，斯坦福大学的材料科学家戴宏杰。他的课题组，用材料合成技术，解决了钠电池中一项关键的瓶颈，成果发表在今年8月出版的《自然》杂志上。这项研究，有可能从根本上解决一大类电池无法应用的困局。
这些成绩听起来特别了不起，但你可能心里没什么概念。毕竟平时一说到电池，我们听到最多的就是锂电池，或者锂离子电池。
还有固态锂离子电池，我专门在2020年的《材料科学前沿报告》里介绍过。当时我还预测了它会非常火爆，后来也在2021年的市场上得到了印证。既然已经有这么前沿的电池材料了，为什么我还要给你介绍另一种，你几乎从来没听说过的钠金属电池呢？
这是因为，锂离子电池虽然是个好材料，但从资源储备来看，锂，作为锂离子电池中最核心的资源，在全世界的储量并不是特别丰富。尤其是最近几年来，抢锂大战频频发生。所以，材料学家在研究锂离子电池的同时，也在探索其他电池材料。
而钠金属，作为锂金属的同族元素，再一次进入材料学家的视野。
所谓同族元素，就是化学性质非常相似的元素。比如锂之所以能用来做金属电池材料，就是因为锂金属跟氧气发生化学反应后，能释放巨大的能量，钠金属也是如此。所以，材料学家推测，锂能做到的工作，钠也很可能做到。
更何况，相比于锂来说，钠在地球上的分布，可就要大得多了。特别是在海洋里，钠可以说是取之不尽，用之不竭，这也是锂不具备的优势。
钠金属这么普遍，材料学家不可能现在才考虑用它做电池呀？没错，钠电池确实不是新鲜事物，它是曾经被锂离子电池淘汰的金属电池。原因很简单，因为它不能充电，电池用完后就相当于废弃了，所以利用效率就不高。
想想看，要是我们的智能手机，每次用到没电，就要换一块电池，是不是特别不方便？
那过去被淘汰的钠电池，为什么又重新回到了材料学家的视野呢？我前面给你介绍的戴宏杰院士的成果，就是让不能充电的钠电池，能像锂离子电池那样，可以反复充电使用。
这一讲，我们就来具体看看这个了不起的前沿材料。
为什么技术突破口不是钠离子电池？
既然咱们介绍的是一种电池材料，我还是要再带你复习一下，金属电池的工作原理。
前面我们说了，锂金属在日常条件下，就能和空气中的氧气发生氧化反应，释放很多能量。这是比较危险的，但如果我们控制一下这种化学反应的速度，让它不要那么剧烈，再把这种能量以电的形式释放出来，这样一来，金属锂就成了一种电池，也叫锂金属电池。
不过，锂金属发生完化学反应之后，原来的金属就都被消耗掉了，变成了氧化物。这就相当于说，电池的电量消耗完以后，很难充电再次利用。
但是，把锂金属转化为锂离子，用锂离子做的电池就不一样了。跟锂金属电池不一样，锂离子电池在放电过程中，不会发生化学反应，而是靠锂离子的运动。这个好处是，电池放完电以后，我们还可以再给它充电，反复使用。形象来说，锂离子就像是水坝里的水，放电就是把水从高处泄到低处，充电的时候，就是又把水抽到高处。
复习完金属电池的工作原理，你可能最先想到的问题是，既然钠跟锂是同族元素，锂可以开发出好用的锂离子电池，那是不是钠也可以直接开发出钠离子电池呢？这不是也是一个解决方案吗？干嘛一定要转回去研究，给钠金属电池充电呢？
实际上，已经有企业在这么做了。就在2021年5月，锂离子电池行业领跑者之一的宁德时代，宣布自己将进军钠离子电池行业，以此作为锂离子电池的后续技术。消息传出，原本就很热闹的电池市场，几乎被引爆了一样。宁德时代当然有自己的战略，这个我们不去评价。
但对从事材料研究的人来说，客观地讲，虽然钠的资源比锂丰富，但钠离子电池相比于锂离子电池来说，并不先进。
从市场上看，钠离子电池也已经出现好几年了，欧洲早在2018年就把它作为一种战略目标，好缓解锂资源紧张的压力。
从技术上看，钠离子电池的几个关键指标，比如能量密度、功率密度等等，都要比锂离子电池差不少。能量密度，说的是电池的持续放电的能力，就是一块电池能用多长时间，好比电池的“耐力”。功率密度说的是电池瞬间释放的功率，就是电池放电的速度，好比电池的“爆发力”。
钠离子电池跟锂离子电池出现这么大差距，主要是因为，在携带相同电荷的情况下，钠离子要比锂离子大两倍。换句话说，同样体积跟质量的钠离子电池，发电效率要比锂离子电池小很多。
你听着可能觉得很抽象，我给你打个比方。
如果说锂离子电池是一匹马的话，那么钠离子电池就好比是一头驴。马比驴贵，养一匹马的成本够养好几头驴。但与此同时，马的爆发力和耐力也比驴更强。所以马可以打仗，但是拉磨这种不太着急的事主要交给驴来干。
总而言之，在技术人员看来，钠离子电池并没有太多惊艳的表现。
钠电池好在哪里？
钠离子电池的性能不如锂离子电池好，那么钠金属电池的表现，和锂离子电池相比怎么样呢？
对比看钠金属和锂金属的化学反应，钠的转化效率不如锂，但是钠的反应，却要比锂剧烈得多，也就是说，钠金属的耐力虽然差了点，但是爆发力惊人。这种差距，我们可以用一组电池的电压数据来说明：
锂离子电池的电压，在3.5到3.7伏之间，我前面说爆发力不太好的钠离子电池，只有不到2.5伏，而钠金属电池的电压，最高却可以达到4伏左右，超过了锂离子电池，这就是让人眼前一亮的表现了。
按照前面的比喻，如果说锂离子电池的耐力是一匹马的话，锂金属电池更强，是一头骆驼。那钠金属电池就好比瘦一些的骆驼。虽然不如锂金属电池，但是瘦死的骆驼，比马大。
还有我们生活中的一个数据，也可以提供给你感受下。比如我们现在汽车用的动力电池，比较通用的能量密度，在每公斤300瓦时以下，正在研制400瓦时级别的电池，实验室里可以达到每公斤700-800瓦时的水平。
钠电池呢，最高可以到每公斤9000瓦时左右。这个差距可以说非常明显。
唯一的缺陷，就是我前面说的钠电池不能充电的问题了，这就好比是烧燃料，一旦烧完，就再也回不去了。
如果这种电池能充电呢？那简直可以用如虎添翼来形容。
如何让钠电池充电？
问题找出来了，但是解决方法还是很不好找。从上世纪70年代以来，科学家们就一直在寻找充电的方法。一直到最近这些年来，各路材料学家也还在为此出谋划策。可以说，给钠电池充电这个问题，一直被卡得不能动弹。
说到这儿，你也就明白了，为什么戴宏杰院士的这项成果如此重要。他真正解决了困扰材料学家五十多年的大难题。
戴宏杰院士原本的研究领域不是电池，而是碳纳米材料。但非常具有戏剧性的是，反而是戴院士研究出来的碳纳米材料的成果，成为攻克钠金属电池充电问题的金钥匙。这又是怎么一回事呢？
这就要说回我特别擅长的一种材料了，它也是我在2020年的报告里介绍过的，叫作介孔二氧化硅分子筛。这种名字特别不好记的材料，研发的方法叫溶胶凝胶法。简单来说就是先把材料酸化，再用碱给它中和。
而戴院士用的方法，和我的这个方法正好相反，是先把材料碱化，再用酸给它中和，叫作施特贝尔法（Stöber）。这个方法可以制作出形状非常均匀的小球。摆在一起，有点像围棋盘上的棋子。
戴院士就是用这种方法合成出了纳米级的碳球，这些碳球不仅可以导电，而且内部还有许多孔隙。巧妙的是，这些孔隙大小合适，刚好可以让钠原子通过。所以把它们拿来做钠电池内部的导电材料正好。
戴宏杰把这些纳米碳球，做成了钠电池的正极材料，并把氯气作为氧化剂，用一种叫亚硫酰氯的物质作为电解液。结果，神奇的一幕出现了：
钠原子不仅可以在碳球里被氧化，而且还可以在这些材料的作用下，再发生可逆反应，从而实施充电的功能。
翻译一下就是，先用材料约束钠原子的活动轨迹，同时再采用合适的化学反应，完成充电流程。
假如我们把化学性质活跃的钠元素，比作一个调皮的小孩，平时他能量很强，到处乱跑，就是不爱好好吃饭。现在家长把所以吸引他注意力的东西都关掉，用一桌子好菜，把孩子的注意力拉回到饭桌上，这样他才会乖乖地吃起饭来。
更重要的是，戴院士的这项成果，不仅仅对钠金属电池有效，实际上，它对一大类通过金属氧化反应放电的电池，也可能是通用的。课题组就以同样的方法，在实验室做出来了可充电的锂金属电池。
在电池领域中，除了钠金属电池、锂金属电池，还有一种叫铝空气电池的装置，性能甚至比钠金属电池还要好，同样也是卡在了不能充电的难题上。说不定它也可以借鉴戴院士的这一整套方法。
我非常喜欢戴院士和他的课题组研发这种可充电电池的思路和过程，也特别看好这个成果。它生动地诠释了，前沿材料将会如何主宰前沿科技，再到前沿应用的方向。
最后我再多提一句，戴院士的母校是清华大学，戴院士也是我的校友。这些年来，戴院士一直心系母校的发展，他以清华大学为基地创办了期刊《纳米研究》，这也成为了国际同行了解中国纳米科学研究的重要窗口。
网友评论