编者按：在科技飞速发展的今天，电池已成为驱动我们生活的核心动力。然而，锂离子电池的稀缺性和高昂成本，正成为阻碍绿色能源转型的绊脚石。钠离子电池因材料丰富而备受青睐，却因性能短板难以独当一面。本文源自利默里克大学伯纳尔研究所的研究，揭示了钠与锂的“阴阳调和”之道——一种新型双离子电池应运而生。这项突破不仅有望缓解供应链压力，更指向更廉价、可持续的未来能源存储方案。科技的魅力，往往在于将矛盾转化为和谐，让我们一同探索这场电池领域的革命性进展。
我们今天所生活的世界，全靠电池驱动。但主宰市场的锂离子电池，不仅提取成本高昂，而且对环境的破坏也相当严重。锂离子电池所需的原材料相对稀少，且集中在少数地理区域，这给供应链带来了持续的压力。
钠离子电池因其原材料丰富而成为一种极具潜力的替代方案。然而，钠本身也有缺陷，这阻碍了它成为锂的“接班人”。
在利默里克大学伯纳尔研究所进行的研究中，我的团队现已制造出了一种结合了钠和锂优势的电池。这可能会催生出更可持续的电池，从而减轻与锂相关的供应链压力。该研究成果已发表在《纳米能源》杂志上。
在能量密度方面，钠离子电池落后于锂离子电池。能量密度是指电池相对于其重量或尺寸所储存的能量。较低的电池能量密度会对其所驱动的设备产生直接影响。
如果电动汽车采用了能量密度较低的电池模块，那么它们在需要充电前所能行驶的距离将受到限制。而降低电池的能量密度也会使平板电脑和笔记本电脑变得更加沉重。
作为一名储能研究员，这种矛盾让我如鲠在喉。我们如何才能在不牺牲性能的情况下，充分利用钠的可持续性呢？这种张力，让人联想到古老哲学概念“阴阳”。这个观念描述的是，看似对立的力量，实际上却是互补且相辅相成的。
在这种情况下，钠丰富但廉价，锂强大却稀缺。受这种二元对立论的启发，我萌生了一个想法：这两种技术能否不是相互竞争，而是协同合作？
这引导我们制造出了首个采用两种电极（一个正极，一个负极）的全电池，这两种电极同时使用了两种带电原子或分子（离子）。在这种情况下，这两种带电原子分别是钠和锂。使用不同带正电离子来储存和转移能量的电池，被称为双阳离子电池。
标准电池由一个或多个电池芯组成。电池芯能将化学能转化为电能。电池芯中有两个电极或接线端：一个被称为阴极的正极端，以及一个被称为阳极的负极端。
当电池用于为电子设备供电时，带负电的电子会通过电路流向电池的正极端。阳极和阴极之间的化学介质，被称为电解质。
我决定在一个半电池中将锂和钠结合起来。半电池只将一个电极浸入电解质中，而非两个。仅仅是在以钠为主的电解质中添加少量的锂盐，就从根本上改变了电池的表现。
与同等最先进的钠基电池相比，我们的半电池的储能容量大约翻了一倍。而且，在较高的充电电流下，它能稳定地经历多达1000次的充放电循环。充放电循环次数，衡量的是电池在容量退化之前，能多少次从100%放电到0%，再充电回100%的循环次数。
对于之前曾眼看着钠离子电池在几十次循环后性能就衰减的人来说，这些结果简直像个奇迹。
在表象之下，锂和钠之间正上演着一场精妙无比的化学芭蕾。锂离子的体积比钠离子小，因此它们能更顺畅地穿过阳极材料。它们的运动为钠打开了更顺畅的通道，从而降低了“扩散屏障”——即通常阻碍钠电池速度的阳极阻力。这使得更多的离子能够进入阳极，从而让它储存更多电荷。
同样重要的是，钠有助于防止锂在放电后被滞留于材料内部。这种来回往复的交换，让反应保持可逆，从而使电池同时拥有了更高的容量和更好的循环稳定性。在这种阴阳互动中，没有一种离子占主导地位；相反，它们达到了和谐共处。
半电池测试是通向现实应用的第一步。在下一步，我展示了锂和钠的混合物如何在一个完整的电池芯中工作。
电池容量保持率，衡量的是在特定使用时间后，电池初始储存的能量中还剩多少可用。我们研发的全电池在200次循环后，容量保持率仍能达到70%。这远优于只使用钠电解质的电池，后者大约在50次循环后就开始失效了。
全电池的性能尤其让人满意，因为钠仍然是主要的电荷载体。这确保了这种电池本质上仍然是一个钠离子系统。
这一突破可能会通过减少对富含钴和镍的阴极的依赖，从而助力全球清洁能源转型。这些阴极虽然很常见，但价格昂贵且供应受限，同时还与环境问题挂钩。我们的设计让钠成为主要的作业离子，并将其与更可持续的硫化铁阴极配对。由于钠和铁比许多传统的电池金属更丰富，这种化学成分可能成本更低，也更容易规模化。
少量锂主要充当性能助推器，而非核心资源。这使得电池具备了更高性能的同时，也减少了对昂贵关键材料的潜在依赖。此外，这代表了一种在电网中储存可再生能源的新途径，能够帮助社区和工业向更绿色的未来过渡。
尽管我们的原型取得了成功，但仍有大量工作要做。我们电池芯和半电池中的阳极是由锗制成的，这种材料价格昂贵。下一个挑战就是找到更便宜的阳极材料来替代锗。硅是一个候选者，它能在充电和放电过程中同时可逆地容纳锂离子和钠离子，并为电池提供更高的储能容量。
这种提升将增加以钠为主的电池的能量密度。我们还需要将阳极与能产生比我们现在更高电压的阴极配对。
我已经在探索其他离子组合的替代方案和可持续性，比如锂-镁和钾-钠的组合。同时，我也在实验新的电解质配方。
我们团队的研究表明，通过拥抱锂和钠的“阴阳之道”，我们可以迈向兼具高性能和可持续性的电池。这让我们看到了这样一个世界的前景：你的手机、汽车，甚至是电网，都将从廉价且丰富的钠离子中获取能量——而只需微量的锂从旁协助。
Syed Abdul Ahad 是爱尔兰利默里克大学化学系的爱尔兰研究委员会博士后研究员。
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