2024-8-1608:46北京科学网官方账号
文 | 《中国科学报》见习记者 杜珊妮
历时8年，历经100多次实验失败后，孟颖团队终于成功研发出全球首个无负极钠固态电池。
在此之前，钠电池、固态电池和无负极电池都已经出现，但没有人能够成功地将这三种想法结合起来。这种新型电池结构稳定、安全性高，可循环数百次，并且具备环保、低成本的优点，为未来电池技术的发展开辟了新的路径。
相关成果日前已发表在Nature Energy。论文通讯作者孟颖（Ying Shirley Meng）是美国芝加哥大学普利兹克分子工程学院分子工程教授；美国加州大学圣地亚哥分校（UCSD）博士后研究员Jihyun Jang同为该论文的通讯作者；UCSD博士生Grayson Deysher为该论文的第一作者。
Nature Energy论文
孟颖专注于材料科学研究已有26年，发表了300多篇科学论文，并拥有10多项专利。她告诉《中国科学报》：“论文和专利都是副产品，培养出优秀的学生自然会有好的研究成果。对我而言，学生的成长与成功，才是我保持科研热情的最大动力。”
孟颖
“科研没有捷径”
2016年，正值电池技术蓬勃发展的阶段。当时还在UCSD纳米工程学院任副教授的孟颖，获得了美国国家科学基金会（NSF）的资助，开启了这项开创性课题，研究无负极钠固态电池。
如今广泛应用的锂离子电池，其实有一些固有短板，如资源稀缺，开采过程容易造成环境污染等。这导致其生产和应用受限，成本居高不下。相比之下，钠资源更加丰富且成本低廉，有望实现更经济的电池解决方案，成为了电池技术未来发展的重要方向。
然而，制造出与锂电池能量密度相同的钠电池绝非易事，需要克服材料和技术方面的诸多挑战。其中，寻找适用于钠固态电池的负极是一个难以解决的问题。
“尽管有许多同行进行了多种负极材料的尝试，但效果均不尽如人意。我们就想到，如果能采用无负极（anode-less）的概念，可能会是一种有效的解决方案。”孟颖说。
无负极电池具有重量轻、体积小和成本低的优点。由于其电池结构只有一个金属正极，当电池充电时，金属离子从正极迁移到集电器并沉积。在电池放电时，集电器会临时充当负极的角色，使其能够以与金属离子电池类似的方式放电。
然而，无负极电池的研发难点同样突出，就是如何实现电解质和集电器之间的良好接触。使用液体电解质时，这通常非常容易，因为液体可以流动到各处并润湿每个表面，但是固体电解质无法做到这一点。
为此，孟颖团队确立了4个关键设计原则：电化学稳定的电解质、固体电解质和集电器之间紧密而牢固的固-固界面接触、致密的固态电解质隔膜，以及致密集电器。
无负极示意图和能量密度计算
遵循这些设计原则寻找适合的材料，是一项非常复杂、耗时，且成本极其昂贵的研究工作。
“科研没有捷径。由于没有现成的固态电解质材料、正极材料和隔膜，每一个步骤所需的材料都需要我们自己制作，整个实验极具挑战性。”孟颖说。
为了制造出电解质和集电器之间具有完整界面连接的全固态电池，研究团队在经历100多次实验失败后，开发了一种包围电解质的集电器。他们采用具有类似液体流动性的固体铝粉，代替传统金属铝箔构建集电器。在电池组装过程中，当铝粉沉积并覆盖电解质时，会在高压下致密化，从而形成一个固体集电器，它能够与电解质保持液体般的紧密接触。
此外，研究团队发现了一种电化学性能稳定的固体电解质——硼氢化钠（NBH）。它可与颗粒状铝集电器实现近乎完美的接触。这也是研究团队能够成功研发无负极钠固态电池的关键之一。
硼氢化钠形态评估
尽管硼氢化钠很贵，每50克需要花费2000多美元，孟颖还是选择“下血本”，为团队提供足够的资源完成实验。因为她十分清楚：“科研工作非常耗费资源，每一篇好文章的背后都是巨大的人力、时间和金钱的投入。为了完成这项研究工作，咬咬牙我们也要做。”
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