喬治亞理工學院的研究人員開發了一種新型金屬組合，可能會改變固態電池的未來。通過將鋰與一種柔軟且意想不到的元素鈉結合，團隊找到了一種顯著降低這些電池運行所需壓力的方法。這項創新有望為智能手機到電動車等設備提供更輕、更持久的電源。
這些研究結果由喬治亞理工學院機械工程學院及材料科學與工程學院的教授馬修·麥克道威爾的實驗室發表。該團隊已為這一突破申請了專利。
固態技術中的壓力問題
固態電池承諾比鋰離子電池具有更高的能量密度和更好的安全性。它們使用固體電解質而非易燃液體，從而提高穩定性。然而，這些電池通常需要高壓運行。施加這種壓力所需的金屬板通常比電池本身更重且更笨重。
麥克道威爾表示：“固態電池通常需要金屬板來施加這種高壓，而這些板的尺寸可能會超過電池本身，使其變得過重且笨重，無法有效使用。”這一挑戰使得固態電池在多年研究和宣傳後仍未能廣泛應用。
鈉的作用
由喬治亞理工學院研究科學家尹善根領導的團隊發現，將鈉添加到鋰中可以改變局面。鈉在電池的電化學過程中並不活躍，但其柔軟性起到了關鍵作用。麥克道威爾指出：“添加鈉金屬是這一突破。這看起來似乎違反直覺，因為鈉在電池系統中並不活躍，但它非常柔軟，有助於改善鋰的性能。”
鈉的柔軟性不容小覷。在受控環境下，人的手指可以輕易地在這種金屬上留下印記。當與鋰結合時，它在較低壓力下易於變形，能更好地與固體電解質保持接觸，從而改善整體電池性能。
借鑒生物學的概念
為了理解鈉鋰電池為何表現更佳，團隊轉向了生物學，具體來說，使用了形態發生（morphogenesis）的概念——生物結構根據局部條件進化的方式。形態發生在材料科學中並不常見，但在這種情況下，鈉和鋰之間的相互作用遵循了這一模式。
研究人員觀察到，鈉表現得像一種可變形的相，能夠在電池使用過程中調整結構變化。麥克道威爾的團隊在國防高級研究計劃局（DARPA）的資助下，與其他大學共同開展了這一項目。
朝著更持久、緊湊的電池邁進
這項研究的影響範圍廣泛，可能導致手機電池的使用壽命大幅延長，或使電動車在單次充電下行駛 500 英里。減少壓力要求而不犧牲能量容量的能力為固態電池的擴展開闢了新可能性。
儘管在商業化之前仍面臨挑戰，麥克道威爾的團隊仍在持續測試新材料。他們的目標是使固態電池更具競爭力，以匹敵鋰離子標準。如果成功，這一轉變可能會在電池技術上帶來重大進展。該研究已發表在《科學》期刊上。
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