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碳中和领域的《新青年》
首图来源：Shutterstock
撰文 | Bell
编辑 | 小雨
→这是《环球零碳》的1732篇原创
在当前由锂离子电池主导的世界里，锂已成为关键的战略金属之一。然而，由于资源稀缺，锂也被称为“白色石油”，不仅价格高昂，开采过程还伴随着显著的环境代价。
科学家们一直在寻找更绿色、更普惠的替代方案，并将目光转向了日常食盐中常见的元素——钠。
钠是地壳中含量第六丰富的元素，海水中储量极大，可谓来源广泛、成本低廉。尽管近年来钠离子电池技术持续进步，但在能量密度和循环寿命方面仍与锂电池存在一定差距。
最近，英国萨里大学的科学家们的一项“意外”发现，不仅大幅提升了钠离子电池性能，还可以同时实现海水淡化。
图说：新材料既可以作为高性能锂电池（SIBs），又可以实现海水淡化（Saltwater Desalination）
来源：https://doi.org/10.1039/D5TA05128B
这听起来其实有点“反常识”。因为在传统的电池材料科学中，水往往被视为一种需要被“驱逐出境”的有害物质。
尤其是在有机电解液的电池中，水分子会参与副反应，导致电池性能衰减、寿命缩短，甚至引发安全隐患。
因此，当科学家们最初开始研究一种名为钒酸钠（NaV₃O₈） 的钠离子电池电极材料时，标准的操作流程是通过高温热处理，将其在合成过程中自然带入的结晶水彻底清除干净，得到无水的材料。
但萨里大学的丹尼尔·康芒德尔博士和他的团队却发现，当钠基材料钒酸钠在保留其天然含水量的情况下，性能明显更好。
他们通过精确控制水热合成过程的时间，刻意保留甚至优化了材料中的结晶水含量，得到了一种名为 “纳米结构水合钒酸钠（NVOH）” 的新材料。
“我们的结果完全出乎意料，”康芒德尔博士坦言，“这种材料的性能和稳定性比预期的要强得多，甚至可以为这些电池未来的使用方式创造令人兴奋的新可能性。”
在实验中，优化后的“湿版”NVOH材料在低电流下实现了280 mA h g⁻¹ 的比容量，这几乎是许多传统钠离子电极材料容量的两倍，使其跻身性能最佳的钠离子正极材料之列。
在全电池测试中，“湿版”NVOH材料在100 mA g⁻¹下实现70 mA h g⁻¹ 的比容量，能量密度达100 W h kg⁻¹（磷酸铁锂电池一般在160 W h kg⁻¹以上），优于多数文献报道的硼酸钠基全电池。
究其原因，当水分子被巧妙地保留在钒酸钠的晶体层状结构之间时，它们扮演了一个极其聪明的角色——“分子撑杆”。
图说：NVOH材料微观结构
来源：https://doi.org/10.1039/D5TA05128B
水分子在NVOH中扮演了“支架”作用。它们撑开了材料的层状结构，显著扩大了钠离子可以进出的通道。
更宽的层间距意味着钠离子可以更自由、更快速地穿梭，从而大大提升了材料的倍率性能，使其能够适应快速充放电的需求。
令人惊喜的是，这些被保留的水分子并没有像传统认知那样破坏电池的稳定性。
相反，它们反而帮助稳定了晶体结构。在长达150次的充放电循环后，材料依然保持了优异的容量，全电池更是稳定运行超过100周。
既然水在有机体系中都能“变害为宝”，那么如果直接将这种材料用于水体系之中呢？
研究小组立刻测试了NVOH电极置于高浓度的盐水的表现——盐水是最具挑战性的环境之一。
结果令人振奋：充电时，NVOH电极能高效地从海水中提取并储存钠离子，而与之配对的石墨电极则负责捕获氯离子；放电时，它们又将储存的离子释放出来，同时输出能量。
来源：萨里大学
简单来说，NVOH电极能够实现从溶液中去除钠的同时继续有效发挥作用。而这一过程和一项海水淡化关键技术——“电化学脱盐”的原理一样。
“电化学脱盐”的技术正是通过电池充放电的原理，直接从海水中提取出盐分。在本次研究中，科研人员首次将NVOH材料应用于脱盐电池系统。
目前，全球有数以亿计的人口面临淡水短缺的困境，这一现状还会因为气候变化在未来变得更加严重。而海水淡化是解决这一问题的重要途径。
与传统能耗高昂的热法或反渗透法淡化技术相比，电化学脱碳技术具有能耗低、水利用率高、无二次污染等优势。
论文数据显示，将NVOH作为钠提取电极，该材料的脱盐能力高达每克材料去除173毫克盐分，这一数值在同类研究中也处于领先水平。
至此，一个前所未有的、多功能的应用场景被打开了：一个基于NVOH的装置，既可以作为电池储存能量，又可以同时进行海水淡化，生产出淡水。
“能够在盐水中使用水合钒酸钠是一个非常令人兴奋的发现，”康芒德尔博士解释道，“这表明钠离子电池的功能不仅仅是储存能量——它们还可以帮助去除水中的盐分。
“从长远来看，这意味着我们或许可以设计出一种系统，使用海水作为一种完全安全、免费且储量丰富的电解液，同时在生产过程中还能制造出淡水。”
这为开发低能耗、一体化的“储能-造水”双功能系统奠定了坚实的科学基础。
同时，萨里大学团队的方法还简化了高性能钠电池的制造过程，使大规模、商业可行的储能更近了一步。
凭借这些发现，钠离子电池不仅可以充分发挥其独特优势，同时也有助于提供更清洁的能源解决方案并解决淡水短缺问题。
论文已发表在《材料化学A杂志》上。
论文链接：https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2025/TA/D5TA05128B
Reference：
[1]https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2025/TA/D5TA05128B
[2]https://interestingengineering.com/energy/sodium-ion-battery-breakthrough-surrey
[3]https://www.surrey.ac.uk/news/sodium-ion-battery-breakthrough-could-power-greener-energy-and-even-make-seawater-drinkable
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