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淺析沒有爆炸危險的水基鋰離子電池技術

鉅大LARGE  |  點擊量:422次  |  2018年07月31日  

摘要
美國陸軍研究實驗室(ARL)和馬里蘭大學的研究人員首次開發出使用水鹽溶液作為電解質的鋰離子電池,可以達到家用電子設備(如筆記本電腦)所需的4.0伏特,而且不具有某些市售的非水溶液鋰離子電池所具有的起火和爆炸危險。

美國陸軍研究實驗室(ARL)和馬里蘭大學的研究人員首次開發出使用水鹽溶液作為電解質的鋰離子電池,可以達到家用電子設備(如筆記本電腦)所需的4.0伏特,而且不具有某些市售的非水溶液鋰離子電池所具有的起火和爆炸危險。

這是一種同時具有高能量密度和高安全性的水溶液電解質鋰離子電池,不用擔心有任何起火或爆炸的危險。讓我們一起來看看它的作用機理是什么吧!

美國陸軍研究實驗室(ARL)和馬里蘭大學的研究人員首次開發出使用水鹽溶液作為電解質的鋰離子電池,可以達到家用電子設備(如筆記本電腦)所需的4.0伏特,而且不具有某些市售的非水溶液鋰離子電池所具有的起火和爆炸危險。

據專攻電化學和材料科學的ARL研究員,同時也是這項研究的主要作者KangXu博士稱,這種技術將為士兵提供一種完全安全和靈活的鋰離子電池,具有與SOA鋰離子電池相同的能量密度。即使是在嚴重的機械濫用情況下,該電池仍然沒有起火和爆炸的危險。

Xu說:“在這之前,如果你想要高的能量,你可以選擇一種非水溶液鋰離子電池,但是你必須在安全方面妥協,而如果你想要安全的話,你可以使用鎳/金屬氫化物等水性電池,但是你必須忍受更低的能量?,F在,我們向您承諾,您可以同時獲得高能量和高安全性?!?br/>
在這項研究之前,有一篇2015年發表在Science上的文章,其中介紹了一種類似的水溶液電解質3.0伏特電池,但由于所謂的“陰極挑戰”而無法獲得更高的電壓,即電池中由石墨或金屬鋰制成的陽極會被水性電解質降解。為了解決這個問題,并從三伏跳躍到四伏,第一作者,馬里蘭大學副研究員ChongyinYang設計了一種可涂覆在石墨或鋰陽極上的新型凝膠聚合物電解質涂層。

這種疏水涂層在電極表面附近排除水分子,然后在第一次充電時分解并形成穩定的界面,這個界面其實就是分解產物形成的薄層,可以將固體陽極與液體電解質分隔開,保護陽極免受副作用的腐蝕,從而允許電池使用所需的陽極材料,例如石墨或金屬鋰,并獲得更好的能量密度和循環能力。

合作作者之一,馬里蘭大學A.JamesClark工程學院化學和生物分子工程系ChunshengWang教授說:“這里的關鍵創新點是制造出一種合適的凝膠,能夠鎖住與陽極接觸的水,使水不分解,并且可以形成一層界面,以保證電池的性能?!迸c標準的非水性鋰離子電池相比,添加凝膠涂層也可以提高新電池的安全優勢,并且與任何其他已有的含水鋰離子電池相比,能量密度更高。所有含水鋰離子電池都受益于水性電解質的易燃性,而非水性電解液中使用的有機溶劑更是高度易燃。然而,不同的是,即使界面層被損壞(例如,電池外殼被刺穿),它與鋰或鋰化石墨陽極的反應也很緩慢,從而可以防止當金屬與電解液直接接觸時起煙、起火甚至爆炸。

雖然這種新電池的功率和能量密度目前僅適用于由更危險的非水電池供電的商業應用,但某些改進將使其更具競爭力。特別是,研究人員希望增加電池可以完成的全部性能循環次數,并盡量減少材料費用。Wang說:“現在我們討論的是50-100個循環,但是與有機電解質電池相比,我們想使其達到500以上?!?br/>
研究人員還提到,跳躍到四伏特之后的電化學操作在電池技術中很重要。Xu說:“這是首次實現反應性石墨和金屬鋰陽極在水性介質中的穩定。這開啟了許多不同的電化學課題,包括鈉離子電池,鋰硫電池,涉及鋅和鎂的多離子化學物質,甚至是電鍍和電化學合成;我們還沒有充分進行探索?!?br/>
Xu表示,界面化學在實現商業化之前仍需要進一步完善,而且需要做更多的工作來擴大大型電池的測試技術。在資金充足的條件下,4伏的化學物質可以在大約五年內進入商業化。

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