編輯：觀山不易
1980年左右科學家便發現，
人體中存在的某種成分可以用來做電池，
由於某些原因被世人所忽略，
近些年來又有人進行了深入的研究，
還做出了實物電池，
近日相關研究成果首次亮相Science雜誌，
這一成分便是——鈉離子
今日主角！
說起鈉離子電池，一個繞不開的話題就是能源互聯網。
“電動中國”
未來的互聯網概念已經不僅侷限於信息領域，能源互聯網（最早於2008由德國提出）在我國也從最早的困惑期走進了落地期（2018年為重要轉折年），由陳立泉院士提出的“電動中國”的構想已經開啟！能源互聯網涵蓋取材、轉換、輸配、存儲、使用五個關鍵環節。
能源的存儲，簡稱儲能，是連接能量供給與消費的關鍵一環，相關的技術種類繁多，各有特點。比如，你現在手裡的手機中的鋰離子電池。
目前鋰離子電池的綜合性能是所有電池技術中最優秀的，但是有限的鋰資源以及我國高達80%的鋰資源對外依存度，使鋰離子電池很難同時滿足未來我國大規模儲能、電動交通工具以及消費電子的需求。
壓力著實很大……
而鈉離子電池的歷史使命便是大規模儲能！
鈉離子電池是什麼
鈉離子電池是一種可充放電電池，與鋰離子電池的工作原理基本相同，依靠鈉離子在正負極之間可逆脫出和嵌入實現能量的存儲與輸出。
鈉資源在地殼中的儲量極其豐富（地殼丰度是鋰的1000倍以上），而且綜合性能已經向鋰離子電池靠近，在成本方面已經展現出顯著的優勢（儲存相同的能量，成本比鋰離子電池少30%左右），很可能成為未來鋰離子電池的補充技術。
從目前的最新的研究進展，發現鈉離子電池不僅具有鈉資源儲量豐富、分佈廣泛、成本低廉、無發展瓶頸、環境友好和兼容鋰離子電池現有生產設備的優勢，還具有較好的功率特性、寬溫度範圍適應性、安全性能和無過放電問題等優勢。
鈉離子電池的正極材料
正極、負極、電解質作為鈉離子電池最重要的三大部分一直是研究、產業領域的研發重心，誠然每個部分都很重要，但是本文的側重點在正極（後面你就知道為什麼啦！）
正極的性能的提升目前是鈉離子電池重點攻克要點，而含鈉層狀氧化物（示意圖中畫的便是此類）又是最重要的正極材料之一。
大多數層狀含鈉層狀氧化物正極材料是發黑的粉末（也有綠色、褐色之類的），科學家們藉助先進的儀器設備可以將粉末放大數千倍去看顆粒的形狀，或者上億倍去觀察原子的排布，可以發現不同的材料居然可以呈現出不同的排列形式。
科學家給不同的形式以不同的代碼，以大寫英文字母（如O或P）後面加上數字（2、3等等）。其中英文字母表示每個鈉離子在層間所擁有的“私人空間”，P代表三稜柱形，O代表八面體形，數字表示最小層的重複週期。
所有結構中，以P2和O3為最多，材料學有句很有名的話——“結構決定性質”，O3與P2微觀結構不同，這也使這兩類正極材料表現出不同的優缺點（下圖中列出）。
層狀氧化物類正極材料不僅綜合性能較為優異，合成方法簡單（多為固相燒結法），而且還有一個重要的優勢：可以選擇的過渡金屬元素很多！
從週期表的Ti連續到Cu均可作為鈉離子電池層狀氧化物的主要成分，其中不乏價格低廉的Mn、Fe、Cu等元素。而鋰離子電池層狀氧化物（三元正極、鈷酸鋰等）中則以Ni、Co和Mn為主，其中Ni和Co的價格相對較高，這使得鈉離子電池成本優勢更為突出。
這個問題誕生於鈉離子電池誕生之時，伴隨著鈉離子電池的成長至今……期間有不少研究者對其中的規律進行過總結歸納，找到了一些大致規律，但是關鍵成因仍然懸而未決。
難道，又要“遇事不決，量子力學？”
P2或O3，40年謎題終有答案
中科院物理所胡勇勝課題組近期一篇發表在《Science》雜誌文章解釋了這一現象。
首先要大致確定會對結構產生影響的主要因素，一般而言O3結構中Na層層間距要小於P2的，該課題組早期總結髮現O3和P2兩種結構材料的Na層間距（d(O-Na-O)）和過渡金屬（TM）層間距（d(O-M-O)）的比值有一個臨界值1.62，比值高於1.62通常形成P2相，低於1.62易形成O3相。
第一個影響因素顯然是原子的尺寸，或者說是直徑。
進一步的研究還發現，使用不同價態、相同過渡金屬，或者相同價態、不同過渡金屬元素會獲得不同的結構。這表明離子的帶電荷數也是重要因素之一。
那麼如何使用兩個因素呢？
現有的公式中還真有將離子半徑和離子電荷數結合的公式，叫離子勢。
離子勢最早由G.H.Cartledge提出，用以推斷鹼金屬和鹼土金屬氫氧化物鹼性。在R(OH)x中，若R的Φ值大，氧原子的電子雲將偏向R，使O-H鍵極性增強，則R-O-H發生酸式解離；若R的Φ值小，R-O鍵極性強，則R-O-H發生鹼式解離。
雖然，這個理論可以用來幫助定性理解Na-O-TM之間對O的爭奪關係，但是顯然，這個公式並不能用以直接解釋O3或P2的成因。
接下來，需要變形。
胡勇勝等特此定義了一個新的物理量“陽離子勢”，公式如下所示，這個物理量將元素價態（電荷數）和半徑，甚至還將不同原子之間的相互作用引入其中，形成了一個信息量巨大的新物理量。
通過對上百個已報道以及新設計合成的材料進行統計，發現了一條涇渭分明的分界線，理論預測與實驗結果非常契合！
這樣，以後材料設計就更加有的放矢了。
鈉離子電池，大有可為
鈉離子電池在經過40年的基礎研究、技術積累後，終於迎來了產業化的階段，隨著技術的不斷更迭換代，距離實現其“大規模儲能”的使命越來越近，其中層狀氧化物正極扮演了重要的角色。
近日，一批嶄新的鈉離子電池驅動的電動自行車出現在中科院物理所的園區，將作為實驗用車進行更為廣泛的測試，所使用的電池組便是物理所胡勇勝研究團隊與孵化公司中科海鈉生產製作的。除此之外，近期一批鈉離子電池驅動的景區/園區觀光車也已製造完成，即將投入使用。
如果見到貼有鈉離子電池logo的電動車騎過，請給一個贊哦！
END
本文轉自“中科院物理所”
責編/Akua
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