在全球能源轉型的大背景下，新能源技術的發展日新月異，電池技術作為其中的關鍵一環，更是備受矚目。鈉電池，作為一種新興的電池技術，正逐漸走進人們的視野，展現出巨大的發展潛力和應用前景。

鈉電池之所以受到廣泛關注，是因為它具有諸多獨特的優勢。其中最大的優勢就是它的成本低。鈉元素在地球上的儲量極為可觀，地殼豐度高達2.74%，相較而言，鋰元素的地殼豐度僅為0.0065%，因此鈉元素的儲量幾乎達到鋰元素儲量的近千倍之多，而且鈉元素的分布極為廣泛。這就導致鈉元素的原料成本比鋰元素低了30%-50%。這一顯著的成本優勢，使得鈉電池在大規模儲能、低速電動車等對成本高度敏感的應用領域極具競爭力。

圖片來源：veer圖庫

一、鈉電池商業化的核心難題

盡管鈉電池前景廣闊，但在其商業化進程中，卻存在一些困難，其中最大的便是金屬枝晶的生長問題。

在鈉電池的充放電過程中，金屬離子在正負極之間不斷穿梭，完成電能與化學能的相互轉化。因負極表面微觀結構不均勻，存在凸起和缺陷，充電時這些位置優先吸引金屬離子沉積，逐漸形成樹枝狀金屬鋰/鈉晶體，即金屬枝晶。由于金屬枝晶生長不受控制，隨充放電循環增長變粗，一旦刺穿隔膜，正負極直接導通短路，瞬間產生大量熱量，可能引發起火、爆炸等危險。同時，金屬枝晶生長使負極活性物質脫落，容量衰減，內阻增大，能量損耗增加，大幅縮短電池壽命。

鋰電池金屬枝晶生長造成電池起火的示意圖

（圖片來源：《科學》）

傳統的隔膜材料在應對枝晶挑戰時顯得力不從心。目前，市面上常見的鈉金屬電池隔膜大多使用玻璃纖維隔膜，這類材料雖然具備一定的機械強度和化學穩定性，能夠在一定程度上阻止正負極直接接觸，但在調控鈉離子流動方面存在諸多不足，如同“漏風的毛衣”。

二、從秋褲到隔膜：靈感跨界的科技奇跡

但是在最近，科研人員從日常生活中常見的秋褲獲得靈感，將其調節原理巧妙地應用于鈉金屬電池隔膜的設計中，成功研發出雙功能“智能隔膜”，為解決金屬枝晶難題開辟了全新路徑。

在智能隔膜的研發過程中，金屬有機框架材料（MOF）發揮了至關重要的作用。簡單來講，MOF是由金屬原子和有機配體組成的復合物，它們就像是一個積木——金屬原子作為連接點，有機配體作為連接桿，通過精準組合搭建出無數微型孔洞。如果說傳統材料像是自然形成的蜂窩，大小尺寸都隨機的話，MOF就更像是用樂高積木精心設計的立體迷宮，不僅孔隙大小均勻可控，還能根據需求定制特殊功能。

最左側為鈉金屬電池的示意圖，中間層為隔膜，放大部分為經過修飾的MOF-UFS2結構圖

（圖片來源：作者自制）

首先是孔隙結構可精確調控，能根據鈉離子特性定制傳輸通道。MOF材料的多孔結構為鈉離子傳輸提供了豐富且有序的通道，納米級的孔隙大小均勻、排列有序，引導鈉離子快速、順暢地通過隔膜，減少了離子傳輸阻力和能量損耗。

其次是擁有超高比表面積。能提供豐富活性位點，增強了MOF材料對鈉離子的吸附和傳導能力，進一步提升離子傳輸效率。

第三是MOF材料中的金屬離子和有機配體與鈉離子之間存在特定相互作用，金屬離子通過靜電作用吸引鈉離子，有機配體則通過空間位阻效應和電子效應等方式調控鈉離子的傳輸方向和速度，二者協同作用，有效避免了鈉離子在負極表面的局部聚集，抑制了金屬枝晶生長。

四是化學和熱穩定性良好。MOF材料還能在負極表面形成一層穩定的固體電解質界面（SEI）膜，保護負極，防止金屬枝晶生長和電解液分解，提高電池循環穩定性和安全性。

五是改善隔膜的其他性能。MOF材料的引入能提高隔膜的耐腐蝕性和耐高溫性能，增強隔膜與電解液之間的潤濕性，促進電解液在隔膜中的滲透和擴散，全面提升電池性能。這些獨特優勢使其在多領域應用潛力巨大。

三、讓隔膜更加“智能”

此外，為了讓隔膜能在鈉電池中具備更好的性能，科研人員還在隔膜設計上進行大膽創新，嫁接了兩種特殊的功能基團——親鈉性基團和高離子傳導性基團。其中，親鈉性基團對鈉離子具有極強的親和力，如同磁鐵吸引鐵屑一般，能夠優先吸附電解液中的鈉離子。在電場作用下，當鈉離子向負極移動時，親鈉性基團會發揮向導作用，引導鈉離子均勻分布在隔膜表面，并有序地向負極傳輸，有效避免了鈉離子在負極表面的局部聚集，從源頭上遏制了金屬枝晶生長的趨勢。另一種高離子傳導性基團則為鈉離子傳輸搭建了快速通道，極大地提高了鈉離子的傳輸效率，減少了電池內阻，使電池在充放電過程中能夠更加高效地工作。同時，它還能與親鈉性基團協同作用，進一步促進鈉離子在負極表面的均勻沉積，共同抑制金屬枝晶的生長。

兩種基團結合使新型隔膜具備“智能”調節能力，能根據電池電化學反應調節鈉離子傳輸分布，保障電池安全性能和循環壽命。

四、性能更好的鈉電池

為了全面驗證搭載智能隔膜的鈉金屬電池的性能，科研團隊開展了一系列嚴格的實驗測試。在循環壽命測試方面，傳統鈉金屬電池的循環壽命通常在幾百次到一千多次之間，隨著循環次數增加，電池容量會快速衰減，容量衰減快，而智能隔膜電池循環壽命超2000次，大幅提升了使用壽命。

在高倍率充放電穩定性測試中，傳統鈉金屬電池在高倍率充放電條件下，由于內部化學反應速率急劇加快，往往會出現容量驟降、發熱嚴重甚至短路等問題，嚴重限制了其在快速充放電場景中的應用。而搭載智能隔膜的鈉金屬電池在10C（庫倫）高倍率下，依然能夠穩定地進行充放電循環，容量保持率較高。經過長時間的高倍率充放電測試后，電池各項性能指標依然良好，未出現明顯衰減或異常現象。

高倍率充放電性能對電動汽車和儲能系統意義重大，可縮短電動汽車充電時間，提高儲能設備響應電網需求的速度，增強電網穩定性和可靠性。

正是這些突出優勢，讓鈉電池被視作未來儲能領域的新希望，有望成為鋰離子電池的重要補充，甚至在某些應用場景中實現替代，為全球能源轉型注入強勁動力。

出品：科普中國

作者：呂佳澤（中國科學院廣州能源研究所）

監制：中國科普博覽