制造更好的电池

电池为我们的生活提供动力:我们的手机、笔记本电脑、混合动力汽车和电动汽车都离不开电池。但是，越来越多地采用最常用的锂离子电池，实际上可能会导致成本增加和锂的潜在短缺——这就是为什么钠离子电池正在作为一种可能的替代品进行紧张的研究。它们的性能很好，而钠，一种与锂密切相关的碱金属，是廉价而丰富的。

这个挑战?钠离子电池比锂离子电池寿命短。

现在，加州大学圣巴巴拉分校的计算材料科学家Chris Van de Walle和他的同事们发现了钠电池容量下降的原因:氢的意外存在导致电池电极退化。Van de Walle和合著者Zhen Zhu以及Hartwin Peelaers在《材料化学》杂志上发表了他们的发现。

“氢通常存在于阴极材料的制造过程中，或者它可以从环境或电解质中吸收，”朱说，他现在在谷歌工作。“众所周知，氢对电子材料的性能有很强的影响，所以我们很好奇它对纳米二氧化锰(NaMnO2)的影响，纳米二氧化锰是钠离子电池的一种常见阴极材料。为了研究这个问题，研究人员使用了计算技术，这种技术能够预测杂质的存在所产生的结构和化学效应。

Peelaers教授，现在在堪萨斯大学，描述了关键的发现:“我们很快意识到氢可以很容易地穿透材料，它的存在使得锰原子能够从连接材料的锰氧化物骨架中释放出来。锰的去除是不可逆的，会导致电池容量下降，最终导致电池退化。”

这些研究是在加州大学圣巴巴拉分校范德瓦尔的计算材料小组中进行的。

Van de Walle说:“早期的研究表明锰的流失可能发生在电解质的界面上，也可能与相变有关，但它并没有真正确定一个触发因素。”“我们的新结果表明，如果存在氢，锰的损失可以发生在材料的任何地方。由于氢原子体积小，反应性强，氢是物质中常见的污染物。现在它的有害影响已经被标记出来，可以在电池的制造和封装过程中采取措施抑制氢的掺入，这应该会带来更好的性能。”

事实上，研究人员怀疑，即使是无处不在的锂离子电池，也可能受到意外加入氢元素的不良影响。这是由于该成熟材料体系的制备方法更加先进导致的问题更少，还是因为锂电池具有更强的耐氢性的根本原因目前还不清楚，这将是未来研究的一个领域。

这项工作由美国能源部科学办公室资助。计算资源由美国能源部支持的国家能源研究科学计算中心提供。