鈉電池革命性突破：性能大幅提升，還能實現海水淡化？

環球零碳

碳中和領域的《新青年》

首圖來源：Shutterstock

撰文 | Bell

編輯 | 小雨

→這是《環球零碳》的1732篇原創

在當前由鋰離子電池主導的世界里，鋰已成為關鍵的戰略金屬之一。然而，由于資源稀缺，鋰也被稱為“白色石油”，不僅價格高昂，開采過程還伴隨著顯著的環境代價。

科學家們一直在尋找更綠色、更普惠的替代方案，并將目光轉向了日常食鹽中常見的元素——鈉。

鈉是地殼中含量第六豐富的元素，海水中儲量極大，可謂來源廣泛、成本低廉。盡管近年來鈉離子電池技術持續進步，但在能量密度和循環壽命方面仍與鋰電池存在一定差距。

最近，英國薩里大學的科學家們的一項“意外”發現，不僅大幅提升了鈉離子電池性能，還可以同時實現海水淡化。

圖說：新材料既可以作為高性能鋰電池（SIBs），又可以實現海水淡化（Saltwater Desalination）

來源：https://doi.org/10.1039/D5TA05128B

這聽起來其實有點“反常識”。因為在傳統的電池材料科學中，水往往被視為一種需要被“驅逐出境”的有害物質。

尤其是在有機電解液的電池中，水分子會參與副反應，導致電池性能衰減、壽命縮短，甚至引發安全隱患。

因此，當科學家們最初開始研究一種名為釩酸鈉（NaV?O?） 的鈉離子電池電極材料時，標準的操作流程是通過高溫熱處理，將其在合成過程中自然帶入的結晶水徹底清除干凈，得到無水的材料。

但薩里大學的丹尼爾·康芒德爾博士和他的團隊卻發現，當鈉基材料釩酸鈉在保留其天然含水量的情況下，性能明顯更好。

他們通過精確控制水熱合成過程的時間，刻意保留甚至優化了材料中的結晶水含量，得到了一種名為 “納米結構水合釩酸鈉（NVOH）” 的新材料。

“我們的結果完全出乎意料，”康芒德爾博士坦言，“這種材料的性能和穩定性比預期的要強得多，甚至可以為這些電池未來的使用方式創造令人興奮的新可能性。”

在實驗中，優化后的“濕版”NVOH材料在低電流下實現了280 mA h g?1 的比容量，這幾乎是許多傳統鈉離子電極材料容量的兩倍，使其躋身性能最佳的鈉離子正極材料之列。

在全電池測試中，“濕版”NVOH材料在100 mA g?1下實現70 mA h g?1 的比容量，能量密度達100 W h kg?1（磷酸鐵鋰電池一般在160 W h kg?1以上），優于多數文獻報道的硼酸鈉基全電池。

究其原因，當水分子被巧妙地保留在釩酸鈉的晶體層狀結構之間時，它們扮演了一個極其聰明的角色——“分子撐桿”。

圖說：NVOH材料微觀結構

來源：https://doi.org/10.1039/D5TA05128B

水分子在NVOH中扮演了“支架”作用。它們撐開了材料的層狀結構，顯著擴大了鈉離子可以進出的通道。

更寬的層間距意味著鈉離子可以更自由、更快速地穿梭，從而大大提升了材料的倍率性能，使其能夠適應快速充放電的需求。

令人驚喜的是，這些被保留的水分子并沒有像傳統認知那樣破壞電池的穩定性。

相反，它們反而幫助穩定了晶體結構。在長達150次的充放電循環后，材料依然保持了優異的容量，全電池更是穩定運行超過100周。

既然水在有機體系中都能“變害為寶”，那么如果直接將這種材料用于水體系之中呢？

研究小組立刻測試了NVOH電極置于高濃度的鹽水的表現——鹽水是最具挑戰性的環境之一。

結果令人振奮：充電時，NVOH電極能高效地從海水中提取并儲存鈉離子，而與之配對的石墨電極則負責捕獲氯離子；放電時，它們又將儲存的離子釋放出來，同時輸出能量。

來源：薩里大學

簡單來說，NVOH電極能夠實現從溶液中去除鈉的同時繼續有效發揮作用。而這一過程和一項海水淡化關鍵技術——“電化學脫鹽”的原理一樣。

“電化學脫鹽”的技術正是通過電池充放電的原理，直接從海水中提取出鹽分。在本次研究中，科研人員首次將NVOH材料應用于脫鹽電池系統。

目前，全球有數以億計的人口面臨淡水短缺的困境，這一現狀還會因為氣候變化在未來變得更加嚴重。而海水淡化是解決這一問題的重要途徑。

與傳統能耗高昂的熱法或反滲透法淡化技術相比，電化學脫碳技術具有能耗低、水利用率高、無二次污染等優勢。

論文數據顯示，將NVOH作為鈉提取電極，該材料的脫鹽能力高達每克材料去除173毫克鹽分，這一數值在同類研究中也處于領先水平。

至此，一個前所未有的、多功能的應用場景被打開了：一個基于NVOH的裝置，既可以作為電池儲存能量，又可以同時進行海水淡化，生產出淡水。

“能夠在鹽水中使用水合釩酸鈉是一個非常令人興奮的發現，”康芒德爾博士解釋道，“這表明鈉離子電池的功能不僅僅是儲存能量——它們還可以幫助去除水中的鹽分。

“從長遠來看，這意味著我們或許可以設計出一種系統，使用海水作為一種完全安全、免費且儲量豐富的電解液，同時在生產過程中還能制造出淡水。”

這為開發低能耗、一體化的“儲能-造水”雙功能系統奠定了堅實的科學基礎。

同時，薩里大學團隊的方法還簡化了高性能鈉電池的制造過程，使大規模、商業可行的儲能更近了一步。

憑借這些發現，鈉離子電池不僅可以充分發揮其獨特優勢，同時也有助于提供更清潔的能源解決方案并解決淡水短缺問題。

論文已發表在《材料化學A雜志》上。

論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2025/TA/D5TA05128B

Reference：

[1]https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2025/TA/D5TA05128B

[2]https://interestingengineering.com/energy/sodium-ion-battery-breakthrough-surrey

[3]https://www.surrey.ac.uk/news/sodium-ion-battery-breakthrough-could-power-greener-energy-and-even-make-seawater-drinkable

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