近日，美国普渡大学的研究小组 利用耐低温组件制造了一种钠离子电池（SIB）软包电池，并在连接可再生能源的情况下，在严苛条件下对其进行了测试。由于钠在地球上储量更为丰富，钠离子电池技术被认为是比传统锂离子电池更可持续的替代方案。
“我们的研究首次对在超低温下运行的钠离子软包电池进行了实际评估和现场演示，证明了其在低至-100℃的温度下仍能稳定地用于风能和太阳能存储，”通讯作者Vilas G. Pol表示，“通过采用类似商用软包电池组件并展示其在极端条件下的性能，这项工作为在恶劣气候和太空应用中部署可持续电池储能系统铺平了道路。”
钠离子电池的负极由活性物质含量为90%的硬碳（HC）构成，正极由活性物质含量为85%的磷酸钒钠（Na₃V₂(PO₄)₃，简称NVP）构成。多层电极堆叠在一起，中间用聚丙烯隔膜（Celgard 2500）隔膜，并用胶带固定。电极上焊接有铝制连接片，整个电池组被封装在一个聚合物涂层的铝箔袋中。密封三面后，研究人员在充满氩气的惰性气体手套箱中，将电解液注入开口端。电解液为1 M的NaPF₆溶液，溶剂为四氢呋喃（THF）和2-甲基四氢呋喃（2-MeTHF）的1:1混合溶液。
为了进行实验室测试，研究团队搭建了一套采用液氮（LN₂）冷却的超低温系统（ELTS）。温度控制器调节液氮流量以维持冷却板的温度。氩气用于吹扫水分，系统外层包裹并填充了Fiberfrax纤维材料以增强隔热性能。测试包括电化学阻抗谱（EIS）和恒电流充放电（GCD）测量。
在初步评估中，研究人员在室温 (25°C)、-25°C 和 -50°C 下对钠离子电池软包进行了 2.5 V 至 3.8 V 的循环测试。结果表明，室温下电池的比能量约为 96 Wh/kg，-25°C 下约为 74 Wh/kg，-50°C 下约为 46 Wh/kg。在另一套实验室装置中，研究团队将钠离子电池连接到小型风力发电机以模拟可再生能源发电，并使用台式风扇提供气流。在这些条件下，电池在室温、-25°C 和 -50°C 下的比能量分别为 85 Wh/kg、47 Wh/kg 和 39 Wh/kg。
研究人员还在印第安纳州西拉法叶的户外对风力发电机-电池装置进行了测试，当地气温约为零下10摄氏度。“这与我们实验室对钠离子电池在极低温下充放电性能的测量结果相符，”研究小组报告称。在最后一项实验中，他们回到实验室，在零下100摄氏度的低温下运行钠离子电池，并将其与多晶硅太阳能电池耦合，模拟太空环境。在这种配置下，钠离子电池的比能量最高可达76瓦时/千克。
“研究表明，在用于太阳能存储时，钠离子软包电池在这种极具挑战性的低温环境下仍保持了卓越的稳定性，并实现了约70 Wh/kg的比能量——这对于深空任务或严寒气候等应用至关重要，”波尔说道。“在低温下，太阳能电池（其效率会随着硅带隙的增大而提高）和电池之间的电压-电流动态平衡是一项巨大的挑战，但学生们成功地有效地解决了这个问题。”
波尔补充说，该团队已经在探索其他适用于极端环境的太阳能电池和电池组合。“我们已经对不同的太阳能电池以及与其他类型电池的耦合进行了深入研究。这项后续研究通过探索新的组合，例如将高效钙钛矿太阳能电池与其他可持续电池材料耦合，扩展了我们最初发现的范围。”他说道。
他们的研究成果发表在《通讯化学》（Communications Chemistry） 期刊上，题为“极端条件下用于可再生能源存储的钠离子软包电池评估”（Evaluating sodium-ion pouch cell battery for renewable energy storage under extreme conditions）。