钠离子电池充放电导致性能快速下降，科学家终于找到了真正的原因

钠离子电池最近赚足了眼球，有超过锂离子电池成为新一代“流量”的趋势。

自从电池制造业的老大宁王正式发布了第一代钠离子电池后，钠离子电池开始频繁登上国内外媒体网站，很多电池制造商紧跟其后，逐步在布局钠离子电池，甚至有人预言，钠离子电池即将代替锂离子电池成为电动汽车下一代的动力来源。

但是科学研究却认为纯钠离子电池的商用还有一段路要走。

宁王发布的钠离子电池并非纯的钠离子电池包，它是将钠离子电池和三元锂电池结合做成了混合型的AB款电池包，取长补短。

由于锂金属价格狂飙，在成本的压力下，钠离子电池的优势就凸显出来了。钠在地壳中的丰度更高成本更低，容易获取。

电池制造商和学术界都在竞相研发钠离子电池，试图将其开发成下一代电动汽车的动力来源。

但是由于钠离子比锂离子半径大，在充放电过程中容易造成正极材料裂变，这也是它在快速充放电过程中，性能急速下降的一个原因。

金属离子电池内部离子在正负极材料的嵌入与脱嵌会造成机械应变，而这是影响金属离子电池寿命的一个非常重要的因素，这在锂离子电池上的研究相对比较成熟。

而对钠离子电池中钠离子在电池内部的运动造成的应变知之甚少，一直以来，普遍的认识是认为具有和锂离子电池类似的相界反应，即不可逆相变和阴极-电解质反应是造成电池寿命下降的重要因素。

但是最近，美国阿贡实验室与斯坦福大学合作的一项研究，发现钠离子电池在充放电过程中，正极的原生晶格应变在钠离子电池的性能衰减和寿命中起着压倒性的作用，这与传统的认识背道而驰。

他们首先测试了钠离子电池在充放电循环时的容量表现，在100次充放电循环后，钠离子电池的容量衰减至30%，非常之低！他们推测电池内部正极材料的机械应变非常高。

接着，他们使用原位同步加速器 X 射线探针来观察钠离子电池充放电期间正极材料的变化，发现正极发生了相变，但是这个相变是可逆的，这与之前在锂离子电池上观察到的结果不同，锂离子电池的相变是不可逆的。

这让研究人员感到很困惑。

为了进一步探索原因，他们使用了先进的透射电子显微镜来探测钠离子电池的充电/放电循环过程中氧化物正极的晶体结构，并且发现了此过程中，晶格的畸变，这种晶格畸变可能会加速循环过程中的钠离子混合或钠离子迁移，形成意外的结构演变，从而导致容量衰减！

钠离子电池充放电100次后的透射电镜显示，正极材料原生晶格应变轮廓消失，应变得到了松弛，后果是存在许多堆垛层错位，而这正是是钠离子很难重新嵌入正极的原因。

他们还观察到应变松弛的区域并非是空的，而是布满了结晶碎片，与地震的过程非常的相似！

所有这些都是导致钠离子电池在充放电过程中，容量急剧衰减的重要原因。尤其是在快速地充放电情况下，这种容量下降的情况更严重！

目前，他们的研究论文发表在了学术期刊《Nature Communications》上，通过这项研究，他们希望通过清楚地了解钠离子电池充放电过程中电极材料发生的变化来改进正负极材料，以提升钠离子电池20~40%的性能，从而延长电池寿命。