近日，一項由英國劍橋大學與伯明翰大學科學工作者共同研發的鈉電池展現出了高容量、高能量密度與快充電速度的特性，憑借著資源豐富、易獲取的優勢，新型鈉電池有望成為鋰電池的廉價替代品。這項研究發表于著名學術期刊《美國化學會志》(JACS)。

廣泛應用于筆記本電腦、手機以及混合動力和全電動汽車，鋰離子電池的應用深入日常生活，然而其安全性能欠缺與原料昂貴的特點卻是其發展過程中的劣勢。

從全球范圍來看，鋰礦的資源分布不均，智利、阿根廷、澳大利亞等國為其主要生產國，鋰原料的價格也相對昂貴。隨著對低排放電動汽車的需求增加，找到更加廉價易得的替代品正是研究人員的一大重點。

金屬鈉是一種與金屬鋰有相似化學、物理性質的材料，優勢在于其在地球上豐富的儲量——大量的鈉以離子形式存在于海水中，對人類需求來說基本是用之不竭的。然而，鈉離子較鋰離子更重、更大，不適用于當前的常規電池材料石墨等導電體中。若用鈉替代可充電電池中的鋰，則需要找到其他高容量的電極材料。據了解，鈉硫電池、鈉鎳電池等鈉離子電池均以其優良性能獲得了人們的關注，但仍都在實驗階段。

在這項實驗中，來自劍橋大學的Lauren Marbella博士、伯明翰大學的Clare Grey教授及其研究組則是采用了計算化學方法，最終采用了磷作為電池材料。

通過在超級計算機上運行量子力學模型，研究人員嘗試了多種高容量陽極材料，最終發現以鈉-磷為主體的鈉離子電池展現出了與鋰電池相當的性能。結合計算機模型，研究人員通過大量實驗對含有不同成分的電極進行了測試，最終確定了最佳表現下電極的成分。在同一重量下，這一電極的載流子容量是石墨的7倍，意味著鈉離子電池實現了高容量的特性。

為進一步優化這種新型高容量鈉離子電池，研究人員通過量子力學模型對鈉離子電池充放電的反應機理進行了深入計算。通過物質交換、從頭開始隨機結構搜索和遺傳算法建立的計算模型，研究人員比較確定了這些材料中磷在化學反應中的形態變化，探明鈉-磷體系中，磷會在充電的中間階段形成螺旋狀。

研究人員表示，實驗與理論相結合的方法為鈉離子電池的研究提供了分子水平的新思路。

根據這一結果，研究人員將繼續探究不同電極材料在鈉離子電池中的作用，而計算化學方法的應用則為新型電池的合成提供了全新的思路。參與實驗的Andrew Morris博士說:“這是計算材料科學的巨大勝利。在2016年我們就預測了磷作為電極的可能性，現在我們能夠與Clare Grey教授的團隊一起，為實驗提供建議，并學習如何進行更好的預測。理論和實驗相結合是多么強大，令人十分驚訝。”