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日本開發可快速生產全固態鈉電池
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。
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。
研究小組使用無水硫化鈉(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。研究人員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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