震惊，这种电池成分早已在人体中富集

Original 容晓辉中科院物理所 2021-11-24

1980年左右科学家便发现，

人体中存在的某种成分可以用来做电池，

由于某些原因被世人所忽略，

近些年来又有人进行了深入的研究，

还做出了实物电池，

近日相关研究成果首次亮相Science杂志，

这一成分便是——钠离子

今日主角！

说起钠离子电池，一个绕不开的话题就是能源互联网。

“电动中国”

未来的互联网概念已经不仅局限于信息领域，能源互联网（最早于2008由德国提出）在我国也从最早的困惑期走进了落地期（2018年为重要转折年），由陈立泉院士提出的“电动中国”的构想已经开启！能源互联网涵盖取材、转换、输配、存储、使用五个关键环节。

能源的存储，简称储能，是连接能量供给与消费的关键一环，相关的技术种类繁多，各有特点。比如，你现在手里的手机中的锂离子电池。

目前锂离子电池的综合性能是所有电池技术中最优秀的，但是有限的锂资源以及我国高达80%的锂资源对外依存度，使锂离子电池很难同时满足未来我国大规模储能、电动交通工具以及消费电子的需求。

压力着实很大……

而钠离子电池的历史使命便是大规模储能！

钠离子电池是什么

钠离子电池是一种可充放电电池，与锂离子电池的工作原理基本相同，依靠钠离子在正负极之间可逆脱出和嵌入实现能量的存储与输出。

钠资源在地壳中的储量极其丰富（地壳丰度是锂的1000倍以上），而且综合性能已经向锂离子电池靠近，在成本方面已经展现出显著的优势（储存相同的能量，成本比锂离子电池少30%左右），很可能成为未来锂离子电池的补充技术。

从目前的最新的研究进展，发现钠离子电池不仅具有钠资源储量丰富、分布广泛、成本低廉、无发展瓶颈、环境友好和兼容锂离子电池现有生产设备的优势，还具有较好的功率特性、宽温度范围适应性、安全性能和无过放电问题等优势。

钠离子电池的正极材料

正极、负极、电解质作为钠离子电池最重要的三大部分一直是研究、产业领域的研发重心，诚然每个部分都很重要，但是本文的侧重点在正极（后面你就知道为什么啦！）

正极的性能的提升目前是钠离子电池重点攻克要点，而含钠层状氧化物（示意图中画的便是此类）又是最重要的正极材料之一。

大多数层状含钠层状氧化物正极材料是发黑的粉末（也有绿色、褐色之类的），科学家们借助先进的仪器设备可以将粉末放大数千倍去看颗粒的形状，或者上亿倍去观察原子的排布，可以发现不同的材料居然可以呈现出不同的排列形式。

科学家给不同的形式以不同的代码，以大写英文字母（如O或P）后面加上数字（2、3等等）。其中英文字母表示每个钠离子在层间所拥有的“私人空间”，P代表三棱柱形，O代表八面体形，数字表示最小层的重复周期。

所有结构中，以P2和O3为最多，材料学有句很有名的话——“结构决定性质”，O3与P2微观结构不同，这也使这两类正极材料表现出不同的优缺点（下图中列出）。

层状氧化物类正极材料不仅综合性能较为优异，合成方法简单（多为固相烧结法），而且还有一个重要的优势：可以选择的过渡金属元素很多！

从周期表的Ti连续到Cu均可作为钠离子电池层状氧化物的主要成分，其中不乏价格低廉的Mn、Fe、Cu等元素。而锂离子电池层状氧化物（三元正极、钴酸锂等）中则以Ni、Co和Mn为主，其中Ni和Co的价格相对较高，这使得钠离子电池成本优势更为突出。

这个问题诞生于钠离子电池诞生之时，伴随着钠离子电池的成长至今……期间有不少研究者对其中的规律进行过总结归纳，找到了一些大致规律，但是关键成因仍然悬而未决。

难道，又要“遇事不决，量子力学？”

P2或O3，40年谜题终有答案

中科院物理所胡勇胜课题组近期一篇发表在《Science》杂志文章解释了这一现象。

首先要大致确定会对结构产生影响的主要因素，一般而言O3结构中Na层层间距要小于P2的，该课题组早期总结发现O3和P2两种结构材料的Na层间距（d(O-Na-O)）和过渡金属（TM）层间距（d(O-M-O)）的比值有一个临界值1.62，比值高于1.62通常形成P2相，低于1.62易形成O3相。

第一个影响因素显然是原子的尺寸，或者说是直径。

进一步的研究还发现，使用不同价态、相同过渡金属，或者相同价态、不同过渡金属元素会获得不同的结构。这表明离子的带电荷数也是重要因素之一。

那么如何使用两个因素呢？

现有的公式中还真有将离子半径和离子电荷数结合的公式，叫离子势。

离子势最早由G.H.Cartledge提出，用以推断碱金属和碱土金属氢氧化物碱性。在R(OH)x中，若R的Φ值大，氧原子的电子云将偏向R，使O-H键极性增强，则R-O-H发生酸式解离；若R的Φ值小，R-O键极性强，则R-O-H发生碱式解离。

虽然，这个理论可以用来帮助定性理解Na-O-TM之间对O的争夺关系，但是显然，这个公式并不能用以直接解释O3或P2的成因。

接下来，需要变形。

胡勇胜等特此定义了一个新的物理量“阳离子势”，公式如下所示，这个物理量将元素价态（电荷数）和半径，甚至还将不同原子之间的相互作用引入其中，形成了一个信息量巨大的新物理量。

通过对上百个已报道以及新设计合成的材料进行统计，发现了一条泾渭分明的分界线，理论预测与实验结果非常契合！

这样，以后材料设计就更加有的放矢了。

钠离子电池，大有可为

钠离子电池在经过40年的基础研究、技术积累后，终于迎来了产业化的阶段，随着技术的不断更迭换代，距离实现其“大规模储能”的使命越来越近，其中层状氧化物正极扮演了重要的角色。