盖世汽车讯 大约270年前，德国的Johann Gottlob Leidenfrost博士观察到水滴在加热的金属表面上的一种奇特行为。他在其手稿《A Tract About Some Qualities of Common Water》中描述了水如何在过热的金属表面上滑行，仿佛摩擦力消失了一样。当水或其他任何液体在远高于其沸点的表面上形成蒸汽垫时，就会发生这种情况，使它们能够不受阻碍地滑行。

这种被称莱顿弗罗斯特效应（Leidenfrost effect）的现象，解释了为什么不锈钢锅在高温加热后会突然变得不粘。那么，这项270年前的观察结果，与可持续储能系统的设计又有什么关系呢？

据外媒报道，最近发表在《Small》期刊上的一项研究中，来自印度科学教育与研究学院博帕尔分校（IISER Bhopal）、印度理工学院甘地纳格尔分校（IITGN）、斯旺西大学（Swansea University）和南昆士兰大学（University of Southern Queensland）的研究团队探索了这种不寻常的物理效应如何帮助制造更稳定、更持久的电池，并使其成为锂离子（Li-ion）技术的实用替代方案。

图片来源：印度理工学院甘地纳格尔分校

随着世界向可再生能源转型，对更高性能电池的需求空前高涨。该研究的资深作者Rohit Ranganathan Gaddam博士表示：“从智能手机到电动汽车，锂离子电池目前为各种设备提供动力。然而，锂资源相对稀缺且开采成本高昂，因此亟需一种更环保、更经济的替代方案。”

钠长期以来一直被认为是锂的潜在替代品。钠是一种普遍存在的元素，存在于海水、盐甚至人体血液中，而且价格低廉且易于获取。这使得钠离子电池成为大规模储能的理想选择，尤其适用于可再生能源领域。然而，钠离子的体积较大，这构成了一个重大障碍。较重的钠离子最终会阻塞并磨损阴极（即电池的正极，它相当于电池的能量储存库）。

钠离子电池要想正常工作，其阴极材料必须允许钠离子快速且反复地移动，同时又不损坏其结构。目前存在许多很有前景的材料，但它们往往缺乏速度、稳定性或长期耐久性。

该研究的第一作者Subhajit Singha表示：“我们决定构建合适的阴极结构，一条原子高速公路，让钠离子能够快速通过。”研究团队使用了Na₄Fe₃（PO₄）₂（P₂O₇），这是一种铁基磷酸盐-焦磷酸盐混合物，能够自然形成稳定的三维隧道状结构。考虑到纯铁基阴极材料在导电性和能量方面的不足，研究人员尝试在混合物中添加少量铟。

研究发现，仅用铟取代1%的铁原子，就能在不改变阴极材料基本结构的前提下，增大其内部原子间距。这使得钠离子更容易通过，从而提高了阴极材料的电子导电性，而这正是高性能电池的标志性特征。

除了对阴极材料配方进行调整外，该团队还在制造工艺上引入了创新。Gaddam博士表示：“我们利用莱顿弗罗斯特效应的基本原理，制造出比目前市场上的标准阴极材料更耐用、性能更优异的材料。”他们将化学混合物喷涂到足以触发莱顿弗罗斯特效应的高温金属表面上。

当液滴接触到炽热的金属板时，它们会瞬间蒸发，熔化成多孔颗粒，然后烘烤成粉末。这种快速、环保的方法无需耗能的炉子，即可制成海绵状颗粒，这些颗粒能够吸收电解液，从而使钠离子传输更加顺畅。

先进的测量和计算仿真揭示了原子层面的重组过程。结果表明，铟能够巧妙地重排原子结构，拓宽离子通道，降低能垒，提高导电性，并在数千次循环中保持潜在阴极材料的晶体结构完整。

该研究的共同作者Raghavan Ranganathan博士表示：“优化后的阴极材料展现出高达约359Whkg-1的能量密度，以及卓越的耐久性，在超过10000次充放电循环后仍能保持稳定的性能。”相比之下，大多数手机或笔记本电脑电池的循环寿命只有几百次。这使得所制备的阴极材料成为需要持久性能的可再生能源存储系统的理想选择。