利用水溶液電解質(zhì)可生產(chǎn)電池？用起來(lái)更加安全？

據(jù)外媒報(bào)道，美國(guó)倫斯勒理工學(xué)院（Rensselaer Polytechnic Institute）的工程師，采用水溶液電解質(zhì)生產(chǎn)電池。比起傳統(tǒng)有機(jī)電解質(zhì)，新電池更安全、性價(jià)比更高、性能良好。

在電池內(nèi)部，正極和負(fù)極兩個(gè)電極浸在液體電解質(zhì)中。電池充放電時(shí)，液體電解質(zhì)就會(huì)傳導(dǎo)離子。水溶液電解質(zhì)因不可燃性而備受關(guān)注。而且，在制造過(guò)程中，與非水電解質(zhì)不同，水溶液電解質(zhì)不易受水分影響，更方便操作，成本更低。對(duì)于這種材料來(lái)說(shuō)，最大的挑戰(zhàn)在于如何保持性能?！叭绻銓?duì)水溶液施加太多電壓，它就會(huì)電解，分解成氫和氧。”倫斯勒的機(jī)械、航空航天和核工程講座教授 Nikhil Koratkar 表示，“通常情況下，這種材料的電壓窗口非常有限。”

在本項(xiàng)研究中，Koratkar 及其團(tuán)隊(duì)，使用一種特殊的水溶液電解質(zhì)，即 water-in-salt 電解質(zhì)，該電解質(zhì)不易發(fā)生電解。同時(shí)，研究人員采用鋰錳氧化物做正極，用鈮鎢氧化物做負(fù)極。據(jù) Koratkar 介紹，鈮鎢氧化物是一種復(fù)雜的氧化物，以前從未發(fā)現(xiàn)應(yīng)用于水系電池中。“事實(shí)證明，氧化鈮鎢的單位體積儲(chǔ)能表現(xiàn)突出。從體積方面看，這是迄今為止表現(xiàn)最好的水系鋰離子電池?！?/p>

據(jù)介紹，氧化鈮鎢的重量和密度相對(duì)較大，所以，基于質(zhì)量的儲(chǔ)能能力接近平均水平；由于鈮鎢顆粒在電極中致密堆積，基于體積的儲(chǔ)能能力相當(dāng)高。這種材料的晶體結(jié)構(gòu)，為鋰離子提供通道，使離子快速擴(kuò)散，因此可以快速充電。

Koratkar 表示，新電池充電速度快，而且單位體積儲(chǔ)電量大，這在水系電池中很罕見(jiàn)。對(duì)于新興應(yīng)用來(lái)說(shuō)，如便攜式電子設(shè)備、電動(dòng)汽車和網(wǎng)格存儲(chǔ)，在有限的體積中盡可能多地存儲(chǔ)能量，這一點(diǎn)至關(guān)重要。

新型水系鋰離子電池更安全長(zhǎng)壽

長(zhǎng)期以來(lái)，安全性和循環(huán)壽命對(duì)于鋰離子電池而言，就像魚(yú)和熊掌很難兼得。美國(guó)休斯頓大學(xué)德州超導(dǎo)中心由教授姚彥帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)利用廉價(jià)的有機(jī)材料制備出新型水系鋰離子電池，很好地解決了這一難題。

當(dāng)前鋰離子電池采用可燃性有機(jī)電解液，存在很大的安全隱患，三星 Galaxy Note 7 手機(jī)爆炸再次為業(yè)界敲響了警鐘。對(duì)比而言，鉛酸電池和鎳氫電池等水系電池使用水作為電解液，具有低成本、安全、不會(huì)燃燒等優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)也顯而易見(jiàn)——循環(huán)壽命短，只有 300 次左右，無(wú)法滿足電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能等 5000 次以上循環(huán)壽命的要求。

針對(duì)這一問(wèn)題，姚彥他們利用廉價(jià)的有機(jī)材料取代現(xiàn)有水系電池的負(fù)極，在幾乎很少改變現(xiàn)有電池生產(chǎn)設(shè)備的情況下，使水系電池突破了壽命的瓶頸。姚彥強(qiáng)調(diào)，他們使用的有機(jī)材料遠(yuǎn)低于通常的電極材料價(jià)格，且不含有害重金屬元素，對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染。除此之外，該材料還具有比容量高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，用該材料制成的新型水系鋰離子電池壽命是傳統(tǒng)鉛酸電池的 10 倍，充電時(shí)間也僅需 20 分鐘，可替代鉛酸電池用于汽車啟停電池、風(fēng)光電儲(chǔ)能、低速電動(dòng)車等新能源領(lǐng)域。

此外，新型水系鋰離子電池還可以簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝，無(wú)需干燥間，大大降低了生產(chǎn)成本。

姚彥透露，正在研發(fā)的第二代水系鋰離子電池具有更高的能量密度和更低的成本。目前該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)申請(qǐng)了多個(gè)國(guó)際專利，希望加快從技術(shù)向產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化進(jìn)程。

審核編輯 黃昊宇