电话、笔记本电脑、电动汽车——电池无处不在。为了满足当今消费者的期望，这些电池越来越轻，功能越来越强大，而且设计的寿命也越来越长。目前这些应用最重要的技术是锂离子电池技术：但该技术价格昂贵且含有易燃液体，当电池被滥用时可能会带来安全隐患。为了满足新兴市场（例如电动汽车和可再生能源存储）不断增长的需求，Empa、瑞士联邦材料科学与技术实验室和瑞士日内瓦大学 (UNIGE) 的研究人员设计了一种新的电池原型：被称为“全固态”，这种电池有可能储存更多的能量，同时保持高安全性和可靠性水平。此外，该电池基于钠，是锂的廉价替代品。在《能源与环境科学》杂志上阅读有关该研究的更多详细信息。
电池要工作，必须具备以下三个关键部件：阳极（负极）、阴极（正极）和电解质。今天，我们电子设备中使用的大多数电池都是基于锂离子的。当电池充电时，锂离子离开阴极并移动到阳极。为了防止锂枝晶的形成——一种可以引起电池短路并可能引起火灾的微观石笋——商用电池中的阳极由石墨而不是金属锂制成，尽管这种超轻金属会增加锂的含量。可以储存的能量。
Empa 和 UNIGE 的研究人员专注于“固态”电池的优势，以应对新兴市场日益增长的需求，并使电池具有更好的性能：更快的充电速度、更高的存储容量和更高的安全性。他们的电池使用固体而不是液体电解质，通过阻止枝晶的形成来使用金属阳极，从而可以在保证安全的同时储存更多的能量。
一种不易燃的固体钠电池
“但我们仍然必须找到一种合适的固体离子导体，它不仅无毒，而且化学和热稳定，并且可以让钠在阳极和阴极之间轻松移动，”Hans Hagemann 教授解释道。在 UNIGE 理学院的物理化学系。研究人员发现，一种基于硼的物质，一种环硼烷，可以使钠离子自由循环。此外，由于氯硼烷是一种无机导体，它消除了电池在充电时着火的风险。换句话说，它是一种具有许多有前途的特性的材料。
“困难在于在电池的三层之间建立紧密接触：阳极，由固体金属钠组成；阴极，混合钠铬氧化物；Empa 能源转换材料实验室研究员、UNIGE 理学院物理化学系博士生 Léo Duchêne 说。在添加钠铬氧化物粉末之前，研究人员将部分电池电解液溶解在溶剂中。溶剂蒸发后，他们将阴极粉末复合材料与电解质和阳极堆叠在一起，压缩各个层以形成电池。
Empa 和 UNIGE 的研究人员随后对电池进行了测试。“我们在这里使用的电解质的电化学稳定性可以承受三伏，而以前研究的许多固体电解质在相同电压下都会损坏，”Empa 研究员兼项目负责人 Arndt Remhof 说，该项目得到了瑞士国家科学基金会 (SNSF) 和瑞士热电储存能源研究能力中心 (SCCER-HaE)。科学家们还对电池进行了 250 多次充电和放电循环测试，之后 85% 的能量容量仍然可以使用。“但在电池投放市场之前需要 1,200 个循环”，研究人员说。“此外，我们还必须在室温下测试电池，以确认是否形成枝晶，同时进一步增加电压。我们的实验仍在进行中。”
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