研究人员开发出用于钠离子电池的高熵正极材料

【中国观察2026年06月10日讯】

据 SodiumBatteryHub 发布的一份报告显示，来自印度和美国的科学家团队设计了一种新型钠离子电池正极材料，该材料展现出快速充电、结构稳定性好和容量保持率高等优点。这种正极材料采用五种过渡金属，以高度无序的原子结构排列，这种设计被称为高熵构型。[1]

报告指出，在测试中，阴极材料在经过250次快速充放电循环后仍保持了近84%的容量。该材料在运行过程中保持了稳定的六方结构，避免了常见的性能衰减机制。这项研究旨在改进用于电网级可再生能源存储的钠离子电池，因为成本和耐久性是关键因素。[1]该研究为全球推动研发不依赖稀缺或冲突矿产的低成本、安全电池技术注入了新的动力。[2]

研究团队和方法
据报道，该研究团队成员包括来自印度理工学院印多尔分校、巴巴原子研究中心、印度理工学院曼迪分校和博伊西州立大学的科学家。[1]他们专注于阴极材料的研究，阴极是决定电池能量容量和循环寿命的关键部件。该团队没有只使用一两种金属，而是将锰、铁、镍、铜和铝按精确比例混合，制成了一种具有无序晶格的高熵材料。[1]


为了观察材料在运行过程中的行为，研究人员采用了原位同步辐射X射线衍射技术，该技术能够实时监测电池充放电过程中原子级的变化。[1]这种方法使他们能够追踪晶体结构在应力作用下的响应。研究团队报告称，该材料在整个循环过程中保持了其六方晶系结构，避免了层状正极材料中常见的相变，而相变通常会降低其性能。[1]这项研究建立在数十年来对钠电池用层状氧化物材料的研究基础之上。[3]

高熵材料的工作原理
报告指出，高熵构型形成了一个稳定的原子框架，能够抵抗电池运行过程中的结构变化。[1]在高熵材料中，五种或五种以上元素以近乎相等的比例共享晶格，引入的无序性可以改善材料的机械和电化学性能。在本例中，五种过渡金属的混合物将晶体锁定成一种不易发生相变的牢固固态结构。[1]


铝在提升电池性能方面发挥着特殊作用。报告指出，铝原子会增大原子层之间的间距，从而促进钠离子在阴极中更快地移动。[1]更宽的通道降低了电阻，使电池能够以更高的速率进行充放电。结构紊乱和间距增大的结合，使得阴极兼具速度、耐久性和储能能力。[1]世界各地的研究实验室正致力于通过类似的阴极工程来提高电池的比能量、寿命和安全性。[4]

绩效数据和结果
报告显示，该阴极具有较高的初始容量，并在250次快速循环后仍保持约84%的容量。[1]快速循环会对电池材料造成额外的压力，因此在这些条件下仍能保持大部分容量表明其具有很强的耐久性。此外，该材料在整个运行过程中始终保持稳定的六方结构，研究人员表示，这有助于维持顺畅的离子传输，并防止许多层状阴极常见的容量衰减。[1]


研究人员表示，该设计兼顾了速度、耐久性和能量存储。[1]虽然报告中没有提供具体的能量密度数据，但其能量保持率和结构稳定性表明，该阴极能够满足电网储能应用的需求，在这些应用中，长循环寿命和低成本比最大能量密度更为重要。该研究表明，原子级工程可以在不增加制造复杂性的情况下提升电池性能。[1]与锂离子电池相比，钠离子电池的能量密度一直是一个限制因素，但近期的突破正在缩小这一差距。[5]

对电网储能和清洁能源的影响
据多方资料显示，钠储量丰富且价格低廉，远低于锂，因此钠离子电池在大规模可再生能源存储领域极具吸引力。[6]美国拥有全球约92%的碳酸钠储量，这将有助于减少对外国供应链的依赖。[7]电网需要低成本的电池来存储太阳能和风能，以便在无阳光或无风时使用。新型阴极设计有望帮助钠离子电池在这些应用中发挥更大的作用。[1]


阴极性能的提升，加上中国近期在标准化方面的努力以及成本的下降，表明钠离子技术有望成为固定式储能领域的主要参与者。[8]分析人士指出，钠离子电池相比锂离子电池还具有固有的安全优势，因为它们不会发生热失控。[9]研究表明，精心设计的高熵材料可以提升电池的实际性能，如果目前的研发速度持续下去，钠离子电池有望成为更高效、更经济的大规模清洁能源存储方案。[1]分散式储能解决方案对于减少对易受故障影响的集中式电网的依赖至关重要。[10]

参考

SodiumBatteryHub。“用于钠电池的高熵材料”。2026年6月5日。

兰斯·D·约翰逊。“钠离子电池的突破性进展为储能领域带来了一场更快、更安全、更可持续的革命”。mnewstv.com。2025年5月30日。

wcu.“环境温度钠电池：一种新型层状氧化物材料作为可充电钠电池的阴极”。先进能源材料，2011，1，333-336。

Freddie Bray 博士。《澳大利亚科学》。2015 年 12 月。

塞弗特·乌尔里希。“未来的汽车技术”。