中國粉體網(wǎng)訊 隨著電子設(shè)備對人們?nèi)粘Ｉ畹臐B透，鋰電池也成為人們生活不可或缺的重要角色，然而受限于鋰電池的組成及構(gòu)件，當(dāng)電池出現(xiàn)破損或不當(dāng)使用時(shí)，鋰電池也就變成了安全隱患。從三星電池事件到近來人們對電動汽車電池組件的安全擔(dān)憂，鋰電池的安全問題日益成為限制鋰電行業(yè)發(fā)展的短板。為了解決這一問題，相關(guān)的研究團(tuán)隊(duì)提出了多樣的新型的鋰電池設(shè)計(jì)思路。
鋰離子電池主要由兩個(gè)儲電電極和將它們分開的液態(tài)有機(jī)電解液組成。充放電過程中，鋰離子在電解液之間穿梭，但是有機(jī)電解液是易燃物質(zhì)，容易引起安全隱患。近年來相關(guān)的研究人員嘗試使用固體電解質(zhì)或者不會著火的水基電解質(zhì)來替代有機(jī)電解質(zhì)。但是水基電池的不足之處在于，當(dāng)工作電壓超過1.23V時(shí)，電池的電極材料將會與水基電解液反應(yīng)產(chǎn)生氫氣和氧氣，誘發(fā)更嚴(yán)重的安全問題。當(dāng)工作電壓被控制在1.23V以下時(shí)，水基鋰電池的儲能效果又遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的鋰離子電池而后者的工作電壓又遠(yuǎn)高于前者。
2015年，馬里蘭大學(xué)材料科學(xué)家王春生的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種含鹽的水基電解質(zhì)。該電解質(zhì)在電極周圍形成一個(gè)保護(hù)性固體屏障，進(jìn)而防止電極與水分子反應(yīng)。該電池的工作電壓只能達(dá)到3V。2017年，王春生與其同事在水基電解質(zhì)的基礎(chǔ)上又開發(fā)了與4V電壓兼容的正極材料，然而還是要面臨如何選擇處理負(fù)電荷的電極。直到5月8日，他們在《自然》雜志上宣稱，他們已經(jīng)開發(fā)了一款基于石墨的陰極材料可以在4V或著更高電壓下與前述的水基電解質(zhì)共同工作。
新的電極材料含有溴和氯。電池中的鋰被固體鋰—溴和鋰—氯顆粒結(jié)合并被由碳原子層組成的石墨包裹。當(dāng)電池充電時(shí)，固體顆粒會解離鋰離子，將電子交給陰極，并楔入石墨碳層，形成緊密的固體。隨后在兩電極電壓差的驅(qū)動下帶有正電荷的鋰離子通過水基電解質(zhì)到達(dá)陽極并與外電路電子結(jié)合。
放電時(shí)，鋰原子會失去電子并流向陰極。電子通過外電路流回陰極，陰極附近的溴和氯離子得到電子并從石墨中擴(kuò)散出來。然后鋰離子與他們結(jié)合，重新形成固體顆粒，這些固體顆粒會一直呆在原地，直到下一輪充電。同時(shí)他們的陰極材料能夠比傳統(tǒng)陰極材料多儲存大約30%的電荷。但包括新電解質(zhì)在內(nèi)的全電池最終是否能比商業(yè)電池儲存更多的能量，仍有待觀察。
除了儲能和安全性上具備優(yōu)勢外，新型的水基電解質(zhì)電池將不需要有毒元素鈷，鈷礦開采與普遍的礦工死亡有關(guān)，新電池不僅對消費(fèi)者更安全，對礦工和環(huán)境也更安全。
相關(guān)文獻(xiàn)網(wǎng)址：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1175-6
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/江岸）
