鈣可能是解決鈉離子電池穩定性問題的關鍵

電池是現代技術領域的基本組成部分，為從個人設備到大型基礎設施的一切設備提供動力。雖然充電電池有多種類型，但鋰離子電池 (LIB) 因其出色的能量密度、長壽命和低自放電率而成為迄今為止最常見的電池。然而，鋰是一種相當稀有的元素，在世界各地的分佈非常不均勻，這促使人們對其他材料製成的電池進行研究。

在過去的十年中，科學家們將注意力集中在鈉離子電池（SIB）上，它為 LIB 提供了一種引人注目的替代品。 NIB 的主要優點是鈉含量豐富，鈉存在於海水中，比鋰更容易獲取且更安全。這使得 SIB 成為大規模能源存儲（例如可再生能源網絡）的有前途的選擇。儘管有這些有前途的品質，SIB 也有其缺點。主要問題是陰極材料在空氣和水中的穩定性，這會降低電池性能和壽命。

在最近的一項研究中，由日本東京理科大學 (TUS) Shinichi Komaba 教授、Zachary T. Gossage 副教授和 Shinichi Kumakura 項目研究員 Changha Lee 領導的研究小組在解決 SIB 的這一主要局限性方面取得了重大進展。該研究由啟蒙大學二年級博士生蒙娜麗莎·馬哈帕特拉 (Monalisa Mahapatra) 共同撰寫，她對該研究做出了重大貢獻。

他們的文章在線發表於 材料化學學報A 2025 年 8 月 29 日報導了一種提高空氣和水中鈉穩定性的新方法。_2/3(鐵_1/2分鐘。_1/2）關於₂ (NFM)是一種非常有前途的P2型SIB正極材料組合物。

他們的方法依賴於用鈣 (Ca) 離子取代 NFM 中的一些鈉 (Na) 離子，這種技術稱為摻雜。儘管 Ca 離子的最終濃度與電極總重量相比很小（小於 2%），但摻雜會對各種性能產生顯著影響。

實驗表明，Ca摻雜NFM在保持高放電容量的同時比傳統NFM具有更高的性能。最重要的是，鈣摻雜 NFM 在空氣和水中表現出高穩定性。雖然普通 NFM 在暴露於空氣 2 天內損失了 35% 的放電容量，但鈣摻雜 NFM 沒有觀察到損失。

為了了解這些改進的根本原因，團隊進行了詳細的分析，揭示了 NFM 中 Ca 的有趣行為。 “根據我們的表面分析，穩定性的增加似乎是由於鈣暴露在空氣中時的自發遷移，導致形成富含鈣的保護性表面層，抑制鈉等分解過程。⁺/小時⁺ Komaba 教授解釋說：“這種新探索的機制似乎在減輕層狀氧化物的表面降解反應方面非常有效。”

研究小組還指出，鈣摻雜可以提高 NFM 的結晶度並增加層間距，這有助於提高電化學性能。此外，保護層在電池組裝前的儲存期間保護NFM。

通過揭示鈣摻雜對 NFM 的保護作用，這項研究可能為 SIB 的廣泛採用鋪平道路。 Ca材料廣泛可用，並且可以使用合成方法輕鬆地融入NFM中，而不會顯著增加成本。這將為大規模能源存儲提供更可持續且更具成本效益的解決方案，從而顯著有利於可再生能源生產。它還將為各種電氣和電子設備提供穩定的電池供應鏈，解決鋰短缺問題。

“我相信，來自JICA的印度學生蒙娜麗莎·馬哈帕特拉(Monalisa Mahapatra)在如此短的時間內取得的出色成果，既是她自己努力工作的結果，也是整個實驗室支持系統的結果，”科馬巴教授說。

希望該領域的未來研究能夠讓研究人員充分發揮 NIB 摻雜的潛力。