水硼酸盐晶体中钠离子扩散的三维表面。这种新材料形成了一种无序但高度对称的结构，使钠的迁移率与商用电池中的锂相当。来源：©UNIGE/Brighi

制造使用地缘政治稳定资源的更安全、更强大的电池需要固体电解质，并用钠代替锂。目前正在向电池开发商提供一种化学解决方案。

为我们的电子设备和电动汽车提供动力的锂电池有很多缺点。电解质——使电子和正电荷能够在电极之间移动的介质——是一种易燃液体。更重要的是，它们所用的锂是一种有限的资源，是主要地缘政治问题的焦点。

日内瓦大学（UNIGE）的晶体学专家开发了一种在室温下工作的不易燃固体电解质。它输送的是钠，而不是锂，钠在地球上随处可见。这是一个成功的组合，也意味着制造更强大的电池是可能的。

这些“理想”电池的财产取决于电解质的晶体结构，电解质是由硼和氢组成的氢硼酸盐。UNIGE研究团队在《细胞报告物理科学》杂志上发表了一个真正的工具箱，其中包含了为电池开发商制造固体电解质的策略。

储存能源对可持续发展倡议来说是巨大的挑战。事实上，不排放温室气体的电动汽车的发展取决于强大、安全的电池的存在，就像可再生能源——太阳能和风能——的发展依赖于储能能力一样。锂电池是目前应对这些挑战的答案。不幸的是，锂需要液体电解质，这种电解质在发生泄漏时具有很高的爆炸性。UNIGE科学院博士后法布里奇奥·穆尔吉亚（Fabrizio Murgia）表示：“此外，锂并非在地球上随处可见，它会引发与石油周围类似的地缘政治问题。钠是替代锂的理想选择，因为它的化学和物理财产接近锂，到处都可以找到。”。

温度过高

钠和锂这两种元素在元素周期表中彼此接近。UNIGE博士后研究员、该研究的第一作者Matteo Brighi补充道：“问题是钠比它的表亲锂重。这意味着它很难在电池电解液中流通。”。因此，需要开发能够传输阳离子如钠的电解质。2013年和2014年，日本和美国的研究小组确定，在超过120°C的温度下，水硼酸盐是良好的钠导体。乍一看，这对日常使用的电池来说是一个过高的温度……但对日内瓦实验室来说是天赐之物！

凭借数十年来在氢硼酸盐应用（如储氢）方面的专业知识，日内瓦晶体学家开始致力于降低传导温度。Radovan Cerny继续说道：“我们取得了非常好的结果，具有与电池兼容的优异财产。我们成功地将氢硼酸盐用作室温至250摄氏度的电解液，没有任何安全问题。此外，它们能够抵抗更大的电位差，这意味着电池可以存储更多能量。”，UNIGE晶体学实验室的教授和项目负责人。

解决方案：一种紊乱

结晶学是一门介于矿物学、物理学和化学之间的科学，用于分析和理解化学物质的结构并预测其财产。得益于晶体学，设计材料成为可能。正是这种晶体学方法被用于实施日内瓦三位研究人员发表的制造策略。Murgia说：“我们的文章提供了可以用来制造和破坏水硼酸盐的结构的例子。”。氢硼酸盐的结构允许硼和带负电荷的氢的球体出现。这些球形空间为带正电的钠离子留下了足够的通过空间。布里吉继续说道：“尽管如此，当负电荷和正电荷相互吸引时，我们需要在结构中制造混乱，以破坏氢硼酸盐并使钠移动。”。

参考资料：Matteo Brighi、Fabrizio Murgia和RadovanČerný撰写的“Closo Hydrobolate钠盐作为一类新兴的室温固体电解质”，2020年10月7日，《细胞报告物理科学》。

内政部：10.1016/j.xcrp.202100217

本文是为电池开发人员设计的工具包。它应该会产生更稳定、更强大的新一代电池。瑞士拥有真正的专业知识，这要归功于UNIGE和EMPA在Dübendorf的密切合作