用于钠离子电池的新型阴极材料的灵感来自于阿贡国家实验室的早期工作，该工作导致雪佛兰 Volt 和 Bolt 中使用了锂离子电池。它可以帮助供应低成本和丰富的电动汽车电池元件。
大多数寻找新车的购物者都知道，电动汽车通常价格相对较高。造成这一费用的主要因素是为车辆提供动力的锂离子电池。大幅降低成本将使我们更接近环保且经济实惠的交通解决方案。
美国能源部 (DOE) 阿贡国家实验室的研究人员发明了一种新型阴极材料并申请了专利，该材料可以用钠代替锂离子，而且价格会便宜得多。阴极是任何电池的主要部件之一。它是化学反应的场所，产生驱动车辆的电流。
“我们的估计表明，钠离子电池的成本比锂离子电池低三分之一，”高级化学家、阿贡国家实验室杰出研究员克里斯托弗·约翰逊说。“我们阿贡国家实验室的电池项目十多年来一直在研究钠离子电池，我们对阴极结构的设计使钠离子电池成为预算友好且更可持续的电动汽车的有吸引力的替代品。”
约翰逊研究团队的创新突破源于他之前与另外两位阿贡杰出研究员迈克尔·萨克雷(Michael Thackeray)(已退休)和哈利勒·阿明(Khalil Amine)一起研究的新型锂离子电池阴极材料。该阴极现在是为雪佛兰 Volt 和 Bolt 以及其他电动汽车提供动力的电池的一部分。
早期的正极材料是锂镍锰钴(NMC)氧化物，其结构为原子层状排列。这种结构允许锂离子在层之间轻松插入和脱嵌。因此，这些离子可以自由地从阴极移动到阳极并返回，从而对电池进行充电和放电。
约翰逊的团队从早期研究中汲取见解，发明了一种专为钠离子电池设计的层状氧化物阴极。NMC 阴极的这种变体是钠镍锰铁 (NMF) 氧化物，具有层状结构，可有效嵌入和提取钠。阴极配方中不含钴，减轻了与该元素相关的成本、稀缺性和毒性问题。
该团队对钠离子电池的兴趣源于其诸多优点。两个是可持续性和成本。钠的天然储量比锂丰富得多，也更容易开采。因此，它只是每公斤成本的一小部分，而且更不易受到价格波动或供应链中断的影响。
此外，除了钠之外，正极材料主要含有铁和锰。这两种元素在全球范围内含量丰富，且不属于濒危元素。
另一个好处是钠离子电池可以在低于冰点的温度下保持其充电能力。这解决了现有锂离子电池的显着缺点之一。对钠离子电池有利的另一个原因是电池管理和制造技术已经存在。这是因为它们的设计与锂离子电池非常相似。
“这个神奇电池有一个问题，”约翰逊指出。“钠金属比锂重约三倍，这大大增加了电池的重量。” 额外的重量也会导致行驶里程缩短。
迄今为止，这一缺点阻碍了钠离子电池进军电动汽车市场。然而，与其他钠离子技术相比，该团队的阴极具有更高的能量密度，足以为电动汽车提供动力，一次充电可行驶约 180-200 英里。
约翰逊强调，虽然钠离子电池可能不会吸引那些寻求长距离行驶里程的人，但它可能会吸引精打细算的消费者，特别是日常驾驶很少超过这个距离的城市居民。
早期钠离子电池的另一个缺点是循环寿命短。但利用该团队的阴极材料，电池可以与锂离子电池进行相同次数的充电和放电。
约翰逊说：“我们现在已经从实验室阶段过渡，准备在电池中对我们的阴极进行类似于实际电动汽车电池的测试。” 该测试将在阿贡国家实验室的细胞分析、建模和原型设计设施中进行。
“从那时起，我们希望 NMF 阴极能够追随我们的 NMC阴极的轨迹并被选择用于制造，”约翰逊说。他的团队还致力于为电池的另外两个主要组件(电解质和阳极)开发不同的材料，以进一步提高能量密度。
除了运输之外，钠离子电池还有另一个可能的应用。特别是，它们非常适合存储用于电网的可再生能源，在电网中，电池重量不成问题，并且低温运行是一个优点。电网电池是一个快速增长的电池市场。
这一技术飞跃凸显了阿贡国家实验室对可持续能源解决方案的奉献精神。钠离子电池可以缓解人们对未来汽车电池低成本元件供应的担忧。
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