英國薩里大學(xué)的科研團(tuán)隊近日公布一項(xiàng)顛覆傳統(tǒng)認(rèn)知的電池材料研究成果：通過保留水分而非高溫“烘干”，一種新型鈉基正極材料不僅顯著提升了鈉離子電池的儲能性能，還在實(shí)驗(yàn)中展現(xiàn)出凈化鹽水的能力。

研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了一種名為“納米結(jié)構(gòu)水合偏釩酸鈉”（nanostructured sodium vanadate hydrate，簡稱 NVOH）的層狀鈉基材料，這種材料在晶體結(jié)構(gòu)中天然含有水分。按照傳統(tǒng)電池工程思路，類似材料通常會經(jīng)過高溫處理，以去除晶格中的水，理由是水被認(rèn)為會削弱材料穩(wěn)定性。然而，薩里大學(xué)的科研人員對這一慣例提出質(zhì)疑，并進(jìn)行了系統(tǒng)對比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果恰好相反：保留水分的“水合”材料在儲能表現(xiàn)和充放電性能上大幅領(lǐng)先“脫水”版本。

相關(guān)論文發(fā)表在《材料化學(xué) A》期刊上。實(shí)驗(yàn)顯示，NVOH 的可儲存電荷量接近傳統(tǒng)鈉離子電池正極材料的兩倍，在實(shí)驗(yàn)室條件下可在超過 400 次充放電循環(huán)中保持穩(wěn)定的能量輸出和良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。與經(jīng)過高溫脫水處理的同類材料相比，這種水合正極不僅容量更高，還具備更快的充電速度，使其躋身當(dāng)前報道的鈉離子電池高性能正極材料之列。

論文第一作者、薩里大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院研究員 Daniel Commandeur 博士在接受采訪時表示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果“完全出乎意料”。他指出，這種材料的性能和穩(wěn)定性遠(yuǎn)超預(yù)期，意味著未來在鈉離子電池的應(yīng)用場景和設(shè)計思路上都可能開啟新的方向。在他的描述中，這一發(fā)現(xiàn)有望推動人們重新審視“必須完全除水”的電池設(shè)計傳統(tǒng)，轉(zhuǎn)而更多利用材料的“天然化學(xué)特性”。

從機(jī)理上看，研究人員發(fā)現(xiàn)，材料中的水分為鈉離子提供了更通暢的遷移通道，使其在充放電過程中可以更自由地在層狀結(jié)構(gòu)間穿梭。這種更順暢的離子擴(kuò)散改善了反應(yīng)動力學(xué)，從而帶來更高的能量密度和更快的充放電響應(yīng)速度。在電池設(shè)計領(lǐng)域，這一結(jié)果等于是“翻轉(zhuǎn)”了一條長期被奉為準(zhǔn)則的設(shè)計規(guī)則：并非所有情況下“越干越好”，在某些材料體系中，適度的水分反而可能成為性能優(yōu)勢。

更令人意外的是，該材料在鹽水環(huán)境中的表現(xiàn)，揭示了其兼具儲能與“淡化”功能的潛力。研究顯示，在鹽水電解質(zhì)中運(yùn)行時，水合偏釩酸鈉正極在正常儲能工作的同時，還能夠從溶液中去除鈉離子；與此同時，配對的石墨負(fù)極則吸附氯離子，從而形成一種“電化學(xué)脫鹽”效果，即在電池充放電的過程中同步實(shí)現(xiàn)部分鹽分去除。這表明，未來有可能設(shè)計出一類既能儲存電能，又能在一定程度上凈化含鹽水體的“二合一”系統(tǒng)。

Commandeur 博士進(jìn)一步指出，從長期來看，這項(xiàng)技術(shù)為利用海水作為“安全、免費(fèi)且極其豐富”的電解質(zhì)提供了設(shè)想，同時在運(yùn)行過程中還能副產(chǎn)淡水。如果這種構(gòu)想得以工程化，將有望在海水淡化、島嶼與沿海地區(qū)能源系統(tǒng)、乃至遠(yuǎn)離電網(wǎng)的地區(qū)供能方案中發(fā)揮獨(dú)特作用。

業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，如果這一材料及相關(guān)體系實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用，可能成為鈉離子電池技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)之一。相較于鋰元素，鈉資源在地殼中更為豐富、價格更低、分布更廣，因此被視為大規(guī)模儲能（如電網(wǎng)調(diào)峰、可再生能源接入）極具潛力的候選技術(shù)路線。薩里大學(xué)團(tuán)隊提出的這一“以水代熱處理”的簡化思路，不僅有望降低生產(chǎn)環(huán)節(jié)的成本和能耗，也可能在環(huán)境影響方面優(yōu)于傳統(tǒng)復(fù)雜制程，為鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化提供新的工藝方向。