中國粉體網(wǎng)訊 隨著電子設備對人們?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，當電池出現(xiàn)破損或不當使用時，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，相關的研究團隊提出了多樣的新型的鋰電池設計思路。
鋰離子電池主要由兩個儲電電極和將它們分開的液態(tài)有機電解液組成。充放電過程中，鋰離子在電解液之間穿梭，但是有機電解液是易燃物質(zhì)，容易引起安全隱患。近年來相關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)來替代有機電解質(zhì)。但是水基電池的不足之處在于，當工作電壓超過1.23V時，電池的電極材料將會與水基電解液反應產(chǎn)生氫氣和氧氣，誘發(fā)更嚴重的安全問題。當工作電壓被控制在1.23V以下時，水基鋰電池的儲能效果又遠低于傳統(tǒng)的鋰離子電池而后者的工作電壓又遠高于前者。
2015年，馬里蘭大學材料科學家王春生的研究團隊開發(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保護性固體屏障，進而防止電極與水分子反應。該電池的工作電壓只能達到3V。2017年，王春生與其同事在水基電解質(zhì)的基礎上又開發(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。當電池充電時，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)到達陽極并與外電路電子結(jié)合。
放電時，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，新電池不僅對消費者更安全，對礦工和環(huán)境也更安全。
相關文獻網(wǎng)址：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1175-6
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/江岸）
