作者：呂佳澤（中國科學(xué)院廣州能源研究所）
監(jiān)制：中國科普博覽
在全球能源轉(zhuǎn)型的大背景下，新能源技術(shù)的發(fā)展日新月異，電池技術(shù)作為其中的關(guān)鍵一環(huán)，更是備受矚目。鈉電池，作為一種新興的電池技術(shù)，正逐漸走進(jìn)人們的視野，展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。
鈉電池之所以受到廣泛關(guān)注，是因?yàn)樗哂兄T多獨(dú)特的優(yōu)勢。其中最大的優(yōu)勢就是它的成本低。鈉元素在地球上的儲(chǔ)量極為可觀，地殼豐度高達(dá)2.74%，相較而言，鋰元素的地殼豐度僅為0.0065%，因此鈉元素的儲(chǔ)量幾乎達(dá)到鋰元素儲(chǔ)量的近千倍之多，而且鈉元素的分布極為廣泛。這就導(dǎo)致鈉元素的原料成本比鋰元素低了30%-50%。這一顯著的成本優(yōu)勢，使得鈉電池在大規(guī)模儲(chǔ)能、低速電動(dòng)車等對成本高度敏感的應(yīng)用領(lǐng)域極具競爭力。
圖片來源：veer圖庫
一、鈉電池商業(yè)化的核心難題
盡管鈉電池前景廣闊，但在其商業(yè)化進(jìn)程中，卻存在一些困難，其中最大的便是金屬枝晶的生長問題。
在鈉電池的充放電過程中，金屬離子在正負(fù)極之間不斷穿梭，完成電能與化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)化。因負(fù)極表面微觀結(jié)構(gòu)不均勻，存在凸起和缺陷，充電時(shí)這些位置優(yōu)先吸引金屬離子沉積，逐漸形成樹枝狀金屬鋰/鈉晶體，即金屬枝晶。由于金屬枝晶生長不受控制，隨充放電循環(huán)增長變粗，一旦刺穿隔膜，正負(fù)極直接導(dǎo)通短路，瞬間產(chǎn)生大量熱量，可能引發(fā)起火、爆炸等危險(xiǎn)。同時(shí)，金屬枝晶生長使負(fù)極活性物質(zhì)脫落，容量衰減，內(nèi)阻增大，能量損耗增加，大幅縮短電池壽命。
鋰電池金屬枝晶生長造成電池起火的示意圖
（圖片來源：《科學(xué)》）
傳統(tǒng)的隔膜材料在應(yīng)對枝晶挑戰(zhàn)時(shí)顯得力不從心。目前，市面上常見的鈉金屬電池隔膜大多使用玻璃纖維隔膜，這類材料雖然具備一定的機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性，能夠在一定程度上阻止正負(fù)極直接接觸，但在調(diào)控鈉離子流動(dòng)方面存在諸多不足，如同“漏風(fēng)的毛衣”。
二、從秋褲到隔膜：靈感跨界的科技奇跡
但是在最近，科研人員從日常生活中常見的秋褲獲得靈感，將其調(diào)節(jié)原理巧妙地應(yīng)用于鈉金屬電池隔膜的設(shè)計(jì)中，成功研發(fā)出雙功能“智能隔膜”，為解決金屬枝晶難題開辟了全新路徑。
在智能隔膜的研發(fā)過程中，金屬有機(jī)框架材料（MOF）發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。簡單來講，MOF是由金屬原子和有機(jī)配體組成的復(fù)合物，它們就像是一個(gè)積木——金屬原子作為連接點(diǎn)，有機(jī)配體作為連接桿，通過精準(zhǔn)組合搭建出無數(shù)微型孔洞。如果說傳統(tǒng)材料像是自然形成的蜂窩，大小尺寸都隨機(jī)的話，MOF就更像是用樂高積木精心設(shè)計(jì)的立體迷宮，不僅孔隙大小均勻可控，還能根據(jù)需求定制特殊功能。
最左側(cè)為鈉金屬電池的示意圖，中間層為隔膜，放大部分為經(jīng)過修飾的MOF-UFS2結(jié)構(gòu)圖
（圖片來源：作者自制）
首先是孔隙結(jié)構(gòu)可精確調(diào)控，能根據(jù)鈉離子特性定制傳輸通道。MOF材料的多孔結(jié)構(gòu)為鈉離子傳輸提供了豐富且有序的通道，納米級的孔隙大小均勻、排列有序，引導(dǎo)鈉離子快速、順暢地通過隔膜，減少了離子傳輸阻力和能量損耗。
其次是擁有超高比表面積。能提供豐富活性位點(diǎn)，增強(qiáng)了MOF材料對鈉離子的吸附和傳導(dǎo)能力，進(jìn)一步提升離子傳輸效率。
第三是MOF材料中的金屬離子和有機(jī)配體與鈉離子之間存在特定相互作用，金屬離子通過靜電作用吸引鈉離子，有機(jī)配體則通過空間位阻效應(yīng)和電子效應(yīng)等方式調(diào)控鈉離子的傳輸方向和速度，二者協(xié)同作用，有效避免了鈉離子在負(fù)極表面的局部聚集，抑制了金屬枝晶生長。
四是化學(xué)和熱穩(wěn)定性良好。MOF材料還能在負(fù)極表面形成一層穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面（SEI）膜，保護(hù)負(fù)極，防止金屬枝晶生長和電解液分解，提高電池循環(huán)穩(wěn)定性和安全性。
五是改善隔膜的其他性能。MOF材料的引入能提高隔膜的耐腐蝕性和耐高溫性能，增強(qiáng)隔膜與電解液之間的潤濕性，促進(jìn)電解液在隔膜中的滲透和擴(kuò)散，全面提升電池性能。這些獨(dú)特優(yōu)勢使其在多領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大。
三、讓隔膜更加“智能”
此外，為了讓隔膜能在鈉電池中具備更好的性能，科研人員還在隔膜設(shè)計(jì)上進(jìn)行大膽創(chuàng)新，嫁接了兩種特殊的功能基團(tuán)——親鈉性基團(tuán)和高離子傳導(dǎo)性基團(tuán)。其中，親鈉性基團(tuán)對鈉離子具有極強(qiáng)的親和力，如同磁鐵吸引鐵屑一般，能夠優(yōu)先吸附電解液中的鈉離子。在電場作用下，當(dāng)鈉離子向負(fù)極移動(dòng)時(shí)，親鈉性基團(tuán)會(huì)發(fā)揮向?qū)ё饔?，引?dǎo)鈉離子均勻分布在隔膜表面，并有序地向負(fù)極傳輸，有效避免了鈉離子在負(fù)極表面的局部聚集，從源頭上遏制了金屬枝晶生長的趨勢。另一種高離子傳導(dǎo)性基團(tuán)則為鈉離子傳輸搭建了快速通道，極大地提高了鈉離子的傳輸效率，減少了電池內(nèi)阻，使電池在充放電過程中能夠更加高效地工作。同時(shí)，它還能與親鈉性基團(tuán)協(xié)同作用，進(jìn)一步促進(jìn)鈉離子在負(fù)極表面的均勻沉積，共同抑制金屬枝晶的生長。
兩種基團(tuán)結(jié)合使新型隔膜具備“智能”調(diào)節(jié)能力，能根據(jù)電池電化學(xué)反應(yīng)調(diào)節(jié)鈉離子傳輸分布，保障電池安全性能和循環(huán)壽命。
四、性能更好的鈉電池
為了全面驗(yàn)證搭載智能隔膜的鈉金屬電池的性能，科研團(tuán)隊(duì)開展了一系列嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)測試。在循環(huán)壽命測試方面，傳統(tǒng)鈉金屬電池的循環(huán)壽命通常在幾百次到一千多次之間，隨著循環(huán)次數(shù)增加，電池容量會(huì)快速衰減，容量衰減快，而智能隔膜電池循環(huán)壽命超2000次，大幅提升了使用壽命。
在高倍率充放電穩(wěn)定性測試中，傳統(tǒng)鈉金屬電池在高倍率充放電條件下，由于內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)速率急劇加快，往往會(huì)出現(xiàn)容量驟降、發(fā)熱嚴(yán)重甚至短路等問題，嚴(yán)重限制了其在快速充放電場景中的應(yīng)用。而搭載智能隔膜的鈉金屬電池在10C（庫倫）高倍率下，依然能夠穩(wěn)定地進(jìn)行充放電循環(huán)，容量保持率較高。經(jīng)過長時(shí)間的高倍率充放電測試后，電池各項(xiàng)性能指標(biāo)依然良好，未出現(xiàn)明顯衰減或異?，F(xiàn)象。
高倍率充放電性能對電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能系統(tǒng)意義重大，可縮短電動(dòng)汽車充電時(shí)間，提高儲(chǔ)能設(shè)備響應(yīng)電網(wǎng)需求的速度，增強(qiáng)電網(wǎng)穩(wěn)定性和可靠性。
正是這些突出優(yōu)勢，讓鈉電池被視作未來儲(chǔ)能領(lǐng)域的新希望，有望成為鋰離子電池的重要補(bǔ)充，甚至在某些應(yīng)用場景中實(shí)現(xiàn)替代，為全球能源轉(zhuǎn)型注入強(qiáng)勁動(dòng)力。