没有负极的钠离子电池居然是以动物骨骼作为开发灵感？

锂电池自诞生以来就成为了电子产品能量之王，没有对手。作为当下实用性最佳的电池，锂离子电池被广泛应用在笔记本电脑、智能手机以及新能源汽车上，它们的优势在于能够提供较高的能量密度，且寿命和稳定性较好，能够适用于需要高能量和反复充电的电动汽车的驱动电池，但它们的缺点也很明显，那就是存在严重的过热问题，偶尔还会爆炸，而且其中钴和锂材料稀缺且昂贵，随着未来电动汽车数量的增加，这些材料将变得更加紧缺，价格也会更高。

为了规避这个致命的难题，无数科学家们一直在致力寻求更廉价易得的材料来替代稀缺金属。英国电池开发商Faradion就将目光放在了储量丰富的钠上面，其首席执行官James Quinn早前就对媒体表示，“钠是地球上第六大丰富的元素，它几乎是无限且可持续获取的，与锂离子电池相比，钠电池能量高、安全性优越很多”。

但遗憾的是，采用钠作为阳极材料的电池蓄电能力相比锂离子电池要差很多，并且在充电和放电时它们还有明显的退化问题，产生这种情况的原因是，钠离子电池会在阴极表面形成一层惰性钠晶体，从而阻止钠离子的流动，降低蓄电能力和产生明显的衰减。

科研人员们表示，哺乳动物的骨骼结构由内部多孔的海绵状骨骼组成，它允许骨髓的储存和运输，周围环绕着坚硬致密的骨骼，在严重的压力下也能保持机械和结构的完整性。所以他们希望通过复制哺乳动物骨骼的多层几何结构，来保障钠离子电池正极结构的稳定性，同时保持高容量和快速充电率。不过负责该研发项目的负责人指出，尽管有了这些技术的设想，但想要实现技术应用，还需要做很多的工作。

此前，圣路易斯华盛顿大学的Peng Bai实验室开发出一种高效、稳定的无负极钠离子电池。Peng Bai为该校能源、环境和化学工程系的助理教授。与传统锂离子电池相比，这种电池要小得多，而且成本更低。它的实际效能能与锂离子电池相媲美，能够储存与锂离子电池一样多的电量，并且在经过1000次充放电循环后电量衰减在20%以内。

传统的锂离子电池由正极和负极组成，二者都可以存储锂离子、两个电极之间有隔板、离子通过电解液移动。当锂离子从负极流向正极时，自由电子通过集流器流向需要供电的设备，而锂离子则通过隔板流向正极。这一充电过程是可逆的，锂离子也会从正极通过隔板到达负极。

用钠离子取代锂离子，并取消负极的概念并不新鲜。但科研人员表示，这种无负极电池总是很快就失效，而且容量较低，或者需要对集流器进行特殊处理。由于枝晶生长，无负极电池往往很不稳定。以往，这被归咎于碱金属的反应性，在无负极电池中，也就是金属钠。

在新电池设计中，负极侧只用一层铜箔作为集流器，即电池中没有活性负极材料。钠离子不是流动到负极，而是被转化为金属再返回正极。首先，它们将自己镀在铜箔上，等到需要回到正极时，它们又溶解了。研究人员Bingyuan Ma表示：“据我们观察，电池中没有形成枝晶。而且，钠离子沉积物平整，带有金属光泽。关于这种碱金属，我们从来没有观察到过这种生长模式。”

科研人员特意开发了一种独特的透明微管电池，可以从视角上观察电池内部流动结构。传统上，必须将电池打开才能检测存在的问题。但是，这种观察式的作用有限。Peng Bai表示：“电池的不稳定性都是在运行过程中累积形成的。真正重要的是，动态过程中的不稳定因素，但这是没有办法表征的。”通过观察透明无负极微管电池，“我们可以清楚地看到，如果不控制好电解液，便会发现各种不稳定因素”，包括枝晶的形成。

总结：

总的来说，对于这种新型材料，科研人员还在进一步的分析，以确定其使用寿命和低温下的性能，钠离子电池取代锂离子电池在生活中的需求潜力巨大，如果最后真正能找到可实现的办法，钠离子电池完全能与锂离子电池竞争，同时在很多超越后者，实现质的飞跃。