NSF资助的研究探索钠离子电池的潜力

锂离子电池为智能手机和平板电脑、笔记本电脑和电动汽车供电。但银色金属锂并不那么容易获得，这将使其成为电网储能等大规模运营成本高昂的选择。

钠离子电池是一种经济实惠且有前途的替代品。毕竟，钠盐并不罕见。地球的海洋充满了它。

“它非常便宜，而且比锂丰富得多，”化学助理教授 Hao Liu解释说，他今年春天因对钠离子电池的研究获得了美国国家科学基金会颁发的 559,276 美元的CAREER 奖。

这种类型的电池对于不断增长的可再生能源部门来说尤其是一个福音，因为发电的力量是间歇性的。

“太阳并不总是照耀着，风也并不总是在吹，这需要更大规模的能量储存，”刘说。

在元素周期表上，钠位于锂的正下方，这意味着它们是碱金属族的成员，具有许多共同特征。由它们制成的电池也是如此，尽管也存在差异。

可充电电池依赖于嵌入反应，其中离子从构成电极的层中插入或移除。然而，由于钠离子在物理上比锂离子大，因此在使用过程中去除离子时，这些层更容易塌陷，从而损害电池的结构完整性。充电几次后，电池开始失去存储容量。

他解释说，这是一个刘希望通过结构支柱来解决的问题，这是一个将特定离子插入各层的过程，有点像建筑物中的支柱如何将楼层连接在一起。

然而，Pillaring 也有其自身的缺点。就像建筑物地板上的柱子可能会阻碍人员进出出口一样，结构柱子可能会降低电池的能量流动。Liu 还需要找到构建这些支柱的最佳材料——他希望在他的 CAREER Award 研究中解决所有问题。

充电电池科学

职业奖包括公共服务部分;为此，刘正在寻求扩大电化学储能的公众知识，并为清洁能源劳动力的本科生和研究生做好准备。

刘指出，电池科学借鉴了多个学科的知识，这可能使其最初成为一个难以学习的领域。

“其中一个关键组成部分是在课堂教学中建立互动教学法，”他说。“我想通过汇集所有必要的知识来填补这一空白，至少对于本科生来说，电池是如何工作的。”

一个想法：使用智能手机操作系统作为微型实验室来监控电池电压和电流，补充课堂学习。他说，这些数据将提供对电池容量以及它如何随时间退化的洞察力。

传统的锂电池对空气很敏感，因此 Liu 也有兴趣开发一门允许学生组装和分析水基电池的实验室课程。他还对制作公共演示材料感兴趣，这些材料向广泛的受众(尤其是 K-12 系统中的学生和教师)解释充电电池的工作原理。

本质上，可以将其视为另一种充电系统：激励未来的科学家和研究人员。

“重要的是要了解电池工作原理的基本原理，以便制定制造更好电池的策略，”他说。