鋰離子電池是當今電動車和電池儲能系統的首選，但其含有鋰、鈷、鎳和石墨等多種關鍵礦物，這些礦物因經濟和國家安全考量被視為必需品，因此容易受到供應鏈中斷的影響。隨著再生能源、電氣化基礎設施和高功率數位技術持續發展，市場對低成本、資源豐富且能快速充放電的儲能系統需求日益增加。

基於這些需求，麻省理工學院（MIT）由核子科學與工程學系及材料科學與工程學系的 Ju Li 教授領導的研究團隊，致力於開發互補的儲能解決方案。該團隊特別關注鈉金屬電池，因其具有多項吸引人的特性，例如鈉的蘊藏量比鋰多約 1,000 倍，且單位重量成本約為鋰的百分之一。然而，一個關鍵挑戰是鈉金屬活性極高，這使得這類電池難以同時實現長期穩定性和快速循環。

本週在《焦耳》（Joule）期刊線上發表的一篇新論文，由 MIT 團隊的 15 名成員撰寫，展示了如何透過為這種電池系統找到合適的電解質來解決這個困境。

電解質是電池的三個主要組成部分之一，另外兩個是負極（陽極）和正極（陰極）。電解質就像電池的「血液」，讓帶電離子在兩個電極之間移動。Li 教授解釋說：「電解質應該只是傳輸這些離子，它應該是離子導體。」但不幸的是，大多數電解質會與電極發生不必要的化學反應，這會嚴重損害電池的穩定性。

核子科學與工程學系博士後研究員、也是《焦耳》論文四位主要作者之一的 Weiyin Chen 表示，這些「副反應」的後果可能很嚴重。反應過程中產生不溶性化合物會堆積在電極上，形成阻礙離子傳輸的屏障，最終可能導致電池失效。

Chen 指出，直到最近，鈉金屬電池中沒有任何電解質能完全穩定地抵抗陽極和陰極上這些不必要的反應，儘管這種穩定性對於可充電電池實現長循環壽命至關重要。2021 年，Li 教授的團隊及其合作者取得初步突破，他們發現一種「磺醯胺」（sulfonamide）分子，由硫、氧和氮原子組成，當用作溶劑時，「在鋰電池的兩個電極上都奇蹟般地穩定」，Li 教授說。這種分子被稱為 DMTMSA。

基於這項發現，Li 教授和他的同事們著手研究相關分子是否能改善鈉電池。目標不僅是保持穩定性，還要實現快速充放電。如果充電太慢，可能需要一整晚才能充滿；如果放電太慢，電池在需要時就無法提供足夠的電力。

Chen 博士以一個比喻解釋這個概念：假設你需要穿過一條擠滿行人的街道，這就像離子從一個電極移動到另一個電極。Chen 說：「你背著一個貼身的輕巧背包，會比拖著笨重的輪式行李箱更快地穿過人群。」

電池中也出現類似情況：當鈉離子被較小的溶劑包圍時，它們移動的速度比被較大、更笨重的溶劑包圍時更快。更快的離子傳輸能實現更迅速的充放電。因此，團隊的目標是找出足夠小、能改善離子傳輸同時又能保持電解質穩定性的溶劑分子。

然而，這裡存在一個複雜因素，需要解決的權衡：更快的離子傳輸通常會以犧牲電解質穩定性為代價。許多高導電性的電解質更容易與電極反應，縮短電池壽命。Li 教授表示，幸運的是，「縮小溶劑尺寸提供了一條克服這種權衡的新途徑。」

那麼問題就變成如何找到一種具有其他理想特性的較小溶劑。他們採用的想法是尋找「同源」（congeneric）分子，Li 教授解釋說：「這意味著它們屬於相似的家族，且分子結構相似。」他們特別搜尋與 DMTMSA 相關的分子，希望找到更小但能保留 DMTMSA 穩定性的候選物。

麻省理工學院材料科學與工程學系的博士生許家瑋（Chia-Wei Hsu）創建了一個由 AI 引導的演算法，在 24 小時內設計出 10 萬個候選分子。隨後，許家瑋透過應用一系列技術標準，包括與 DMTMSA 形狀相似性和可比的電子特性，將候選池縮小到 200 個。最終，選取了 27 個代表性候選物進行實驗測試。

Chen 說：「我們在相同的條件下測試了所有候選物，以確保公平的正面競爭。」最終，一種名為 DMFSA 的溶劑脫穎而出，它既是最小的，也是表現最好的。

麥吉爾大學材料工程副教授 Jinhyuk Lee（未參與此研究）表示，這項工作「解決了電池研究中最持久的挑戰之一：在不犧牲長期穩定性的情況下，提高電池在高充放電速率下的性能。透過精心調整溶劑分子的大小，作者展示了一種新的設計策略，有望實現更低成本、更高性能的電池。」

該團隊的工作尚未結束。目前正在進行新的搜尋，以尋找更好的溶劑。這次的方法類似，但以 DMFSA（而非較大的 DMTMSA 分子）作為起點。Chen 相信他們正在發現的新溶劑最終可能促成結合低成本、豐富材料、快速充電和高功率性能的可充電鈉金屬電池，為更廣泛的儲能應用開啟大門。

作者們強調，這項工作的首要目標不僅是推進鈉電池的發展，更是引入一種新的電解質設計方法，將溶劑尺寸和分子相似性作為關鍵指導原則。從這個角度來看，鈉金屬電池是展示更通用設計原則的典範系統。

Lee 評論道：「由於這個概念具有廣泛的適用性，其影響可能遠超鈉電池，並影響未來各種儲能技術的設計。」

這項工作部分由韓國政府資助的韓國國家研究基金會（National Research Foundation of Korea）以及美國國家科學基金會（U.S. National Science Foundation）研究生研究獎學金支持。本專案使用的特性分析設備部分來自 MIT.nano 特性分析設施。