作为电动汽车的首选电源，锂离子电池长期以来一直主导着市场。它们也越来越多地被考虑用于储存可再生能源，以供电网使用。然而，随着这一市场的迅速扩张，预计在未来5到10年内，锂的供应将出现短缺。

美国能源部(DOE)阿贡国家实验室的化学家徐桂亮说:“钠离子电池正成为锂离子电池的一个令人信服的替代品，因为钠含量更高，成本更低。”

迄今为止，这种电池的商业化一直面临着严重的障碍。特别是，含钠阴极的性能随着反复放电和充电而迅速下降。

阿贡的一个团队在解决这个问题上取得了重要的进展，他们设计了一种新的钠离子氧化物阴极。它是基于阿贡实验室早期设计的锂离子氧化物阴极，具有高储能能力和长寿命。这项研究发表在《自然纳米技术》杂志上。

这两种设计的一个关键特点是，微观阴极颗粒含有过渡金属的混合物，包括镍、钴、铁或锰。重要的是，这些金属并不均匀地分布在单个阴极颗粒中。例如，镍出现在地核;在这个核心周围是钴和锰，它们形成了一个外壳。

这些元素服务于不同的目的。富锰表面使颗粒在充放电循环过程中具有结构稳定性。富含镍的磁芯提供了高容量的能量存储。

然而，在测试这种设计时，阴极的能量存储能力在循环过程中稳步下降。问题的根源是在循环过程中颗粒中产生了裂纹。这些裂纹是由于颗粒中的壳和核之间产生的应变而形成的。该团队试图在循环之前通过微调阴极制备方法来消除这种应变。

用于开始合成过程的前体材料是氢氧化物。除了氧和氢，它还含有三种金属:镍、钴和锰。该团队制作了两种版本的氢氧化物:一种是从核心到壳层梯度分布的金属，另一种是均匀分布在每个粒子中的三种金属。

为了形成最终产品，研究小组将前体材料和氢氧化钠的混合物加热到高达600°C，在该温度下保持一段时间，然后冷却到室温。他们还尝试了不同的升温速率。

在整个处理过程中，研究小组监测了颗粒特性的结构变化。该分析涉及使用两个美国能源部科学办公室用户设施:位于阿贡的先进光子源(光束线17-BM和11-ID)和位于美国能源部布鲁克海文国家实验室的国家同步加速器光源II(光束线18-ID)。

阿贡光束线科学家徐文倩说:“利用这些设施中的x射线束，我们可以在现实的合成条件下确定粒子组成和结构的实时变化。”

该团队还利用阿贡纳米材料中心(CNM)进行了额外的分析，以表征粒子的特征，并利用阿贡领导计算设施(ALCF)的北极星超级计算机将x射线数据重建为详细的3D图像。CNM和ALCF也是美国能源部科学办公室的用户设施。

初步结果表明，均匀颗粒中没有裂纹，但在低至250℃的温度下，梯度颗粒中形成裂纹。这些裂缝出现在地核和核壳交界处，然后向地表移动。显然，金属梯度造成了巨大的应变，导致了这些裂纹。

阿贡博士后左文华说:“因为我们知道梯度粒子可以产生具有高能量储存能力的阴极，我们想找到热处理条件，消除梯度粒子中的裂缝。”

升温速率被证明是一个关键因素。裂缝以每分钟5度的升温速率形成，而不是以每分钟1度的慢速形成。在以较慢速度制备阴极颗粒的小电池中进行的测试在400多次循环中保持了其高性能。

徐桂亮说:“在阴极合成过程中防止裂缝对阴极后来的充放电有很大好处。”“虽然钠离子电池还没有足够的能量密度来为汽车提供长距离动力，但它们是城市驾驶的理想选择。”

该团队目前正在努力从阴极中去除镍，这将进一步降低成本，并更具可持续性。

阿贡杰出研究员哈利勒·阿明(Khalil Amine)说:“未来钠离子电池的前景似乎很好，不仅成本低、寿命长，而且能量密度与现在许多锂离子电池中的磷酸铁锂阴极相当。”“这将带来更可持续的电动汽车，而且行驶里程也更长。”