液态钠-空气燃料电池：实现高能量密度与低成本电力存储的新突破

研究人员针对碱金属-空气电池因固体放电产物导致的循环性能差和功率密度低等问题，创新性地提出了一种采用固体电解质膜的液态钠-空气燃料电池。通过控制空气流湿度，连续移除潮解后的氢氧化钠液态放电产物，该电池在80 mA/cm2 和40 mA/cm2 电流密度下分别实现1,200 Wh/kg和1,540 Wh/kg的堆级能量密度，同时可捕获环境CO2 ，为交通和固定电力应用提供可持续解决方案。

　　

在能源转型的背景下，开发高能量密度、低成本的电力存储技术是解决航空、海运等“难脱碳”领域碳排放的关键挑战。传统锂/钠-空气电池虽具有高理论能量密度，却因固体放电产物（如Na₂
O₂
或NaO₂
）的绝缘性和不可逆性，面临循环性能差、功率密度低等瓶颈。更棘手的是，非水系电池需使用纯氧，而配套设备会抵消其能量密度优势。如何突破这一困境？麻省理工学院的研究团队独辟蹊径，设计了一种液态钠-空气燃料电池，通过动态移除液态放电产物，实现了能量密度与功率密度的双重飞跃，相关成果发表于《Joule》。

研究团队采用钠离子导体固体电解质（Na-β″氧化铝，BASE）和熔融钠阳极（熔点98°C），通过调控空气湿度使放电产物NaOH潮解为液态，结合气相反应机制避免电极钝化。关键技术包括：1）优化固体电解质与熔融钠的界面接触（溅射锡层降低接触角至50°）；2）通过水活度（a）控制放电产物相态；3）利用气体扩散电极（GDE）提升阴极反应效率；4）结合X射线衍射（XRD）和原位拉曼光谱解析产物转化路径。

电化学电池设计与测试
实验表明，当水活度a≥0.1时，放电产物NaOH·H₂
O在空气中迅速潮解为液态，并通过吸收CO₂
转化为Na₂
CO₃
（50分钟内完成40%转化）。相比干燥条件（OCV 2.3 V），湿化氧气流将开路电压提升至2.4–2.5 V，极化降低80%（图3）。聚焦离子束（FIB）显示，潮解后产物富集于阴极外侧，避免堵塞活性位点。

燃料电池性能
在110°C、0.27 bar水蒸气分压下，电池以80 mA/cm²
连续放电至2,797 mAh/cm²
（相当于消耗2.3 cm厚钠金属），堆级能量密度达1,200 Wh/kg（空气）和1,540 Wh/kg（氧气），峰值功率密度0.50 W/cm²
（图5）。空气条件下因阴极“水淹”效应，电压降至1.32 V，但通过电极疏水性优化可缓解。

技术经济分析
钠金属生产若规模化（成本0.8–1美元/kg），其电力成本（0.17–0.22美元/kWh）低于绿氢（0.28美元/kWh）和可持续航空燃料（0.39美元/kWh）。若计入氯副产品价值（-0.92美元/kg）或NaOH回收（0.26美元/kWh抵扣），成本可进一步降低。每kWh电力伴随0.9 kg CO₂
捕获能力，兼具碳负排放潜力。

这项研究颠覆了传统金属-空气电池的设计范式，首次实现放电产物的动态移除与资源化利用。其意义不仅在于突破能量密度极限（达锂离子电池的3倍），更开创了“电力-化学品”联产模式：放电产物NaOH可作为工业原料或碳捕集介质，而钠的全球储量（地壳丰度2.6%）和低成本赋予其大规模应用潜力。未来通过优化电极结构和流体设计，该技术有望成为航空、海运等领域脱碳的核心解决方案。