日本新工艺：可快速生产全固态钠电池

钠离子电池各种电极结构图解。（维基共享资源）

追求更强大更稳定的电池，已成为现代科技发展的主要目标之一。目前的电池存在易燃、能量密度不足、工作温度范围小或制造困难等缺点。日本大阪都立大学开发新工艺，有望提升全固态钠电池的生产和实用性，甚至还有望取代部分锂电池。

目前地表的锂金属含量要比钠金属稀缺得多，钠电池制做成本要比锂电池便宜许多，因此稳定的全固态钠电池引起了人们的关注。

但不管钠或锂制作的固态电池，都存在一些问题。全固态锂电池本身硫化物容易与空气中的水分反应，形成有毒的二硫化氢（H2S）。而全固态钠电池使用的电解质在合成中，因起始材料和产物对溶剂稳定性不佳，容易导致电解质合成出现障碍。

另外，全固态钠电池合成的起始材料里面含有的硫化物，在高温合成中会产生有毒的硫蒸气，因此需要在真空且密封的条件下进行反应。这大大地限制了实验和制造条件，使人们亟需找到解决这些限制的方法。

日本大阪公立大学（Osaka Metropolitan University，OMU）工学研究生院的副教授作田淳（Atsushi Sakuda）和林晃敏（Akitoshi Hayashi）教授领导的研究小组研发出一种可大规模合成含钠硫化物的工艺，大幅提高钠离子电解质的电导率和制造效率。这项研究结果今年3月发表在《储能材料》期刊上。

大规模合成具有高电导性和可成型性的电解质，是全固态钠电池实际应用的关键。该团队合成的含钠硫化物电解质，主要由钠（Na）、锑（Sb）、钨（W）、硫（S）高离子导体和电极保护层硼三硫化钠（Na3BS3）玻璃建构而成，使其电导率比实际所需高出约10倍。

他们使用无水硫化钠（Na2S）和硫（S）作为材料和促进聚变的助熔剂，形成熔点275°C的四硫化二钠（Na2S4），而反应剩余的钠与四硫化二钠反应形成熔点470 °C的硫化钠（Na2S2）。这些产物要比熔点1180°C无水硫化钠还要低，但比硫的熔点116°C要高。

这种工艺使制作固体硫化物电解质不再需要密闭、无氧的环境。它使多硫化钠的熔点在硫化钠和硫之间，成为助熔剂增加化学计量反应物，解决了材料不稳定性和容易蒸发的问题，有助于全固态钠电池的电解质被快速合成出来。

另外，实验人员使用硼三硫化钠玻璃和由钠、锑、钨、硫组成的全固态钠电池进行充放电性能、倍率性能和循环性能的测试，发现在进行正常的300次的充放电后，该电池的容量仍维持130mAh/g，即仍有76%的电容量，而库仑效率还在100%。

另外，这种拥有新电解质的电池在25℃温度和1.2V到2.4V之间能够正常运作，且电流密度范围为0.13至1.02mA/cm-2。而含有多金属电解质的电导率为125mS/cm，该数值比普通的电解质的电导率高出许多。

作田副教授对该校的新闻室表示，“这种新开发的制程，几乎可生产所有含钠硫化物材料，包括固体电解质和电极活性材料。另外，这种新制程与传统方法相比，更容易获得那些高性能的材料，因此我们相信它将成为未来全固态钠电池材料开发的主流工艺。”