研究新电池材料的目的是优化其性能和寿命并降低成本。目前还在努力减少锂和钴等稀有元素以及有毒成分的消耗。钠离子电池在这方面被认为非常有前景。它们的原理与锂离子电池类似，但可以用欧洲广泛使用的原材料生产。它们既适用于固定应用，也适用于移动应用。“层状氧化物，如钠-镍-锰氧化物，是非常有前景的阴极材料，”卡尔斯鲁厄理工学院应用材料-微结构建模与模拟研究所 (IAM-MMS) 组长兼研究通讯作者 Simon Daubner 博士说。在 POLiS（代表锂后存储）卓越集群中，他研究钠离子技术。
快速充电产生机械应力
然而，这种类型的阴极材料存在一个问题。钠镍锰氧化物会根据储存的钠量改变其晶体结构。如果材料充电缓慢，一切都会井然有序地进行。“钠会一层一层地离开材料，就像汽车一层一层地离开停车场一样，”Daubner 解释说。“但当充电速度很快时，钠会从四面八方被提取出来。”这会导致机械应力，可能会永久损坏材料。
卡尔斯鲁厄理工学院Nano技术研究所 (INT) 和 IAM-MMS 的研究人员与乌尔姆大学和巴登-符腾堡州太阳能和氢研究中心 (ZSW) 的科学家最近进行了模拟，以澄清这一情况。他们在《自然》杂志 npj Computational Materials 上发表了报告。
实验证实了模拟结果
Daubner 表示：“计算机模型可以描述各种长度尺度，从电极材料中Atom的排列到其微观结构，再到作为任何电池功能单元的电池。”为了研究 NaXNi1/3Mn2/3O2 层状氧化物，微结构模型与慢速充电和放电实验相结合。研究发现，该材料表现出几种导致容量损失的降解机制。因此，它还不适合商业应用。晶体结构的变化会导致弹性变形。晶体收缩，这可能导致开裂和容量降低。INT 和 IAM-MMS 模拟表明，这种机械影响决定了材料充电所需的时间。ZSW 的实验研究证实了这些结果。
这项研究的成果可以部分应用于其他层状氧化物。“现在，我们了解了基本过程，可以致力于开发持久耐用且可以尽快充电的电池材料，”Daubner 总结道。这可能使钠离子电池在五到十年内得到广泛使用。
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