近日，一项由英国剑桥大学与伯明翰大学科学工作者共同研发的钠电池展现出了高容量、高能量密度与快充电速度的特性，凭借着资源丰富、易获取的优势，新型钠电池有望成为锂电池的廉价替代品。这项研究发表于著名学术期刊《美国化学会志》(JACS)。
广泛应用于笔记本电脑、手机以及混合动力和全电动汽车，锂离子电池的应用深入日常生活，然而其安全性能欠缺与原料昂贵的特点却是其发展过程中的劣势。
从全球范围来看，锂矿的资源分布不均，智利、阿根廷、澳大利亚等国为其主要生产国，锂原料的价格也相对昂贵。随着对低排放电动汽车的需求增加，找到更加廉价易得的替代品正是研究人员的一大重点。
金属钠是一种与金属锂有相似化学、物理性质的材料，优势在于其在地球上丰富的储量——大量的钠以离子形式存在于海水中，对人类需求来说基本是用之不竭的。然而，钠离子较锂离子更重、更大，不适用于当前的常规电池材料石墨等导电体中。若用钠替代可充电电池中的锂，则需要找到其他高容量的电极材料。据了解，钠硫电池、钠镍电池等钠离子电池均以其优良性能获得了人们的关注，但仍都在实验阶段。
在这项实验中，来自剑桥大学的Lauren Marbella博士、伯明翰大学的Clare Grey教授及其研究组则是采用了计算化学方法，最终采用了磷作为电池材料。
通过在超级计算机上运行量子力学模型，研究人员尝试了多种高容量阳极材料，最终发现以钠-磷为主体的钠离子电池展现出了与锂电池相当的性能。结合计算机模型，研究人员通过大量实验对含有不同成分的电极进行了测试，最终确定了最佳表现下电极的成分。在同一重量下，这一电极的载流子容量是石墨的7倍，意味着钠离子电池实现了高容量的特性。
为进一步优化这种新型高容量钠离子电池，研究人员通过量子力学模型对钠离子电池充放电的反应机理进行了深入计算。通过物质交换、从头开始随机结构搜索和遗传算法建立的计算模型，研究人员比较确定了这些材料中磷在化学反应中的形态变化，探明钠-磷体系中，磷会在充电的中间阶段形成螺旋状。
研究人员表示，实验与理论相结合的方法为钠离子电池的研究提供了分子水平的新思路。
根据这一结果，研究人员将继续探究不同电极材料在钠离子电池中的作用，而计算化学方法的应用则为新型电池的合成提供了全新的思路。参与实验的Andrew Morris博士说:“这是计算材料科学的巨大胜利。在2016年我们就预测了磷作为电极的可能性，现在我们能够与Clare Grey教授的团队一起，为实验提供建议，并学习如何进行更好的预测。理论和实验相结合是多么强大，令人十分惊讶。”
