瑞士科学基金会(SNSF)支持的一个项目旨在寻找可用于可充电电池的新材料，并最终提供目前锂电池的替代品。锂基电池具有若干缺点，例如原料本身的有限可用性以及主要与使用可燃液体化合物相关的许多安全问题。爆炸式移动电话的复发已经证明了这个问题。
最近由瑞士联邦材料科学与技术实验室的Arndt Remhof领导的研究证明了钠和镁在开发完全基于固体元素的替代技术方面的潜力。他的团队根据这些金属生产了实验性电池组件。
改变材料
瑞士研究人员开发了使用固体化合物的固态电池(与基于液体电解质的电池相反)，其设计带来了重大的技术问题。离子 – 无论是锂，钠还是镁 – 必须允许离子通过固体介质。通过从电池内的一个极移动到另一个极，离子(正电荷)促进电子的位移(负电荷)，从而通过外部电路放电。
为了促进离子的置换，研究人员开发出具有晶体结构的固体电解质。通过用钠或镁代替锂，Arndt Remhof的团队不得不彻底改革他们的晶体结构并使用新的元件和制造工艺。
“我总是喜欢将我们的工作与足球教练的工作进行比较，”Arndt Remhof说。“你可以将最好的元素结合在一起，但是如果你不优化设置，就不会取得好成绩!”
钠：一种廉价的材料
Arndt Remhof的团队开发了一种固体电解质，可促进20度钠离子的良好流动性。最后一点至关重要：离子需要热源才能移动，并且在室温下引发反应会带来技术挑战。电解质也是不易燃的，并且化学稳定性高达300度，这解决了与锂离子电池相关的各种安全问题。日内瓦大学的Hans Hagemann团队一直致力于开发更便宜的技术来生产这种新型固体电解质。
与锂不同，钠含量巨大：它是食盐的两种成分之一。“可用性是我们的关键论点，”Empa的LéoDuchêne和该研究论文的第一作者说。“然而，它储存的能量低于等效锂的质量，因此，如果电池的尺寸不是其应用的一个因素，那么它可以证明是一个很好的解决方案。”
镁：完美但复杂的材料
同一团队还开发了一种固体镁基电解质。到目前为止，在这一领域进行的研究很少。将这个元素设置得更加困难的事实并不意味着它不那么有吸引力：它可以大量使用，它很轻，并且没有爆炸的风险。但更重要的是，镁离子有两个正电荷，而锂只有一个。从本质上讲，这意味着它在同一体积中储存的能量几乎是其两倍。
一些实验电解质已被用于刺激镁离子移动，但温度超过400度。瑞士科学家使用的电解质已经在70度记录了相似的电导率。“这是开创性的研究和概念验证，”负责实验的Empa的Elsa Roedern说。“我们距离拥有完整的功能原型还有很长的路要走，但我们迈出了实现目标的第一步。”
新型离子导体项目汇集了来自Empa，日内瓦大学，Paul Scherrer研究所和波兰核物理学Henryk Niewodniczanski研究所的研究人员。它自2015年起由瑞士科学基金会资助，作为Sinergia计划的一部分，该计划支持协作和跨学科研究。“我们在不到两年的时间内取得的成就非常特别!” Arndt Remhof说。
