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没有爆炸危险的水基锂离子电池技术分析

导读: 美国陆军研究实验室(ARL)和马里兰大学的研究人员首次开发出使用水盐溶液作为电解质的锂离子电池,可以达到家用电子设备(如笔记本电脑)所需的4.0伏特,而且不具有某些市售的非水溶液锂离子电池所具有的起火和爆炸危险。

这是一种同时具有高能量密度和高安全性的水溶液电解质锂离子电池,不用担心有任何起火或爆炸的危险。让我们一起来看看它的作用机理是什么吧!

美国陆军研究实验室(ARL)和马里兰大学的研究人员首次开发出使用水盐溶液作为电解质的锂离子电池,可以达到家用电子设备(如笔记本电脑)所需的4.0伏特,而且不具有某些市售的非水溶液锂离子电池所具有的起火和爆炸危险。

据专攻电化学和材料科学的ARL研究员,同时也是这项研究的主要作者Kang Xu博士称,这种技术将为士兵提供一种完全安全和灵活的锂离子电池,具有与SOA锂离子电池相同的能量密度。即使是在严重的机械滥用情况下,该电池仍然没有起火和爆炸的危险。

Xu说:“在这之前,如果你想要高的能量,你可以选择一种非水溶液锂离子电池,但是你必须在安全方面妥协,而如果你想要安全的话,你可以使用镍/金属氢化物等水性电池, 但是你必须忍受更低的能量。现在,我们向您承诺,您可以同时获得高能量和高安全性。”

在这项研究之前,有一篇2015年发表在Science上的文章,其中介绍了一种类似的水溶液电解质3.0伏特电池,但由于所谓的“阴极挑战”而无法获得更高的电压,即电池中由石墨或金属锂制成的阳极会被水性电解质降解。为了解决这个问题,并从三伏跳跃到四伏,第一作者,马里兰大学副研究员Chongyin Yang设计了一种可涂覆在石墨或锂阳极上的新型凝胶聚合物电解质涂层。

这种疏水涂层在电极表面附近排除水分子,然后在第一次充电时分解并形成稳定的界面,这个界面其实就是分解产物形成的薄层,可以将固体阳极与液体电解质分隔开,保护阳极免受副作用的腐蚀,从而允许电池使用所需的阳极材料,例如石墨或金属锂,并获得更好的能量密度和循环能力。

合作作者之一,马里兰大学A.James Clark工程学院化学和生物分子工程系Chunsheng Wang教授说:“这里的关键创新点是制造出一种合适的凝胶,能够锁住与阳极接触的水,使水不分解,并且可以形成一层界面,以保证电池的性能。”与标准的非水性锂离子电池相比,添加凝胶涂层也可以提高新电池的安全优势,并且与任何其他已有的含水锂离子电池相比,能量密度更高。所有含水锂离子电池都受益于水性电解质的易燃性,而非水性电解液中使用的有机溶剂更是高度易燃。然而,不同的是,即使界面层被损坏(例如,电池外壳被刺穿),它与锂或锂化石墨阳极的反应也很缓慢,从而可以防止当金属与电解液直接接触时起烟、起火甚至爆炸。

虽然这种新电池的功率和能量密度目前仅适用于由更危险的非水电池供电的商业应用,但某些改进将使其更具竞争力。特别是,研究人员希望增加电池可以完成的全部性能循环次数,并尽量减少材料费用。Wang说:“现在我们讨论的是50-100个循环,但是与有机电解质电池相比,我们想使其达到500以上。”

研究人员还提到,跳跃到四伏特之后的电化学操作在电池技术中很重要。Xu说:“这是首次实现反应性石墨和金属锂阳极在水性介质中的稳定。这开启了许多不同的电化学课题,包括钠离子电池,锂硫电池,涉及锌和镁的多离子化学物质,甚至是电镀和电化学合成;我们还没有充分进行探索。”

Xu表示,界面化学在实现商业化之前仍需要进一步完善,而且需要做更多的工作来扩大大型电池的测试技术。在资金充足的条件下,4伏的化学物质可以在大约五年内进入商业化。

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