加州大學圣地亞哥分校的博士生格雷森·戴舍爾 (Grayson Deysher) 是該團隊研究的新論文的第一作者，他說：“盡管之前已經(jīng)有過鈉電池、固態(tài)電池和無陽極電池，但到目前為止還沒有人能夠成功地將這三種想法結合起來。”

為了制造出能量密度可與鋰離子電池媲美的鈉電池，研究團隊需要發(fā)明一種新的鈉電池結構。

它選擇了無陽極電池設計，即移除陽極，將離子直接存儲在集電器上的堿金屬電化學沉積物中。消除陽極可以減輕重量和體積，提高電池電壓，降低電池成本，提高能量密度，但也帶來了挑戰(zhàn)。

“在任何無陽極電池中，電解質和集電器之間都需要有良好的接觸，”Deysher 說。“使用液體電解質時，這通常非常容易，因為液體可以流動到各處并潤濕每個表面。固體電解質無法做到這一點。”

然而，液體電解質會產(chǎn)生一種稱為固體電解質中間相的堆積物，同時會逐漸消耗活性物質，從而縮短電池的壽命。

加州大學圣地亞哥分校的研究團隊采取了一種新穎的方法來解決這個問題。他們沒有使用包圍集電器的電解質，而是創(chuàng)造了一個包圍電解質的集電器。

他們用鋁粉(一種可以像液體一樣流動的固體)制作出了集電器。

研究人員報告稱：“我們發(fā)現(xiàn)，鋁集流體與固體電解質實現(xiàn)了緊密的固-固接觸，這使得在高面積容量和電流密度下實現(xiàn)高度可逆的鈉電鍍和剝離，而這是以前用傳統(tǒng)鋁箔無法實現(xiàn)的。”

在電池組裝過程中，粉末在高壓下致密化，形成固體集電器，同時與電解質保持液體狀接觸，從而實現(xiàn)低成本、高效率的循環(huán)。研究人員報告稱，無鈉陽極全固態(tài)電池全電池已表現(xiàn)出數(shù)百次的穩(wěn)定循環(huán)。

Deysher 表示：“鈉固態(tài)電池通常被視為一種遙遠的未來技術，但我們希望這篇論文能夠證明鈉固態(tài)電池確實能夠發(fā)揮良好作用，在某些情況下甚至比鋰電池更好，從而激發(fā)人們對鈉固態(tài)電池領域的更多推動。”

研究人員已通過加州大學圣地亞哥分校創(chuàng)新與商業(yè)化辦公室為他們的工作申請了專利。他們的研究成果在《自然能源》雜志發(fā)表的《實現(xiàn)無陽極鈉全固態(tài)電池的設計原則》中進行了進一步討論。

無陽極示意圖和能量密度計算。

a)碳陽極、合金陽極和無陽極配置的電池示意圖。b)各種鈉陽極材料的理論能量密度比較。c)示意圖說明了實現(xiàn)無陽極全固態(tài)電池的要求。