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新型锂电池或更安全


来源:中国粉体网   江岸

中国粉体网讯    随着电子设备对人们日常生活的渗透,锂电池也成为人们生活不可或缺的重要角色,然而受限于锂电池的组成及构件,当电池出现破损或不当使用时,锂电池也就变成了安全隐患。从三星电池事件到近来人们对电动汽车电池组件的安全担忧,锂电池的安全问题日益成为限制锂电行业发展的短板。为了解决这一问题,相关的研究团队提出了多样的新型的锂电池设计思路。


锂离子电池主要由两个储电电极和将它们分开的液态有机电解液组成。充放电过程中,锂离子在电解液之间穿梭,但是有机电解液是易燃物质,容易引起安全隐患。近年来相关的研究人员尝试使用固体电解质或者不会着火的水基电解质来替代有机电解质。但是水基电池的不足之处在于,当工作电压超过1.23V时,电池的电极材料将会与水基电解液反应产生氢气和氧气,诱发更严重的安全问题。当工作电压被控制在1.23V以下时,水基锂电池的储能效果又远低于传统的锂离子电池而后者的工作电压又远高于前者。


2015年,马里兰大学材料科学家王春生的研究团队开发了一种含盐的水基电解质。该电解质在电极周围形成一个保护性固体屏障,进而防止电极与水分子反应。该电池的工作电压只能达到3V。2017年,王春生与其同事在水基电解质的基础上又开发了与4V电压兼容的正极材料,然而还是要面临如何选择处理负电荷的电极。直到5月8日,他们在《自然》杂志上宣称,他们已经开发了一款基于石墨的阴极材料可以在4V或着更高电压下与前述的水基电解质共同工作。


新的电极材料含有溴和氯。电池中的锂被固体锂—溴和锂—氯颗粒结合并被由碳原子层组成的石墨包裹。当电池充电时,固体颗粒会解离锂离子,将电子交给阴极,并楔入石墨碳层,形成紧密的固体。随后在两电极电压差的驱动下带有正电荷的锂离子通过水基电解质到达阳极并与外电路电子结合。


放电时,锂原子会失去电子并流向阴极。电子通过外电路流回阴极,阴极附近的溴和氯离子得到电子并从石墨中扩散出来。然后锂离子与他们结合,重新形成固体颗粒,这些固体颗粒会一直呆在原地,直到下一轮充电。同时他们的阴极材料能够比传统阴极材料多储存大约30%的电荷。但包括新电解质在内的全电池最终是否能比商业电池储存更多的能量,仍有待观察。


除了储能和安全性上具备优势外,新型的水基电解质电池将不需要有毒元素钴,钴矿开采与普遍的矿工死亡有关,新电池不仅对消费者更安全,对矿工和环境也更安全。


相关文献网址:https://www.nature.com/articles/s41586-019-1175-6


(中国粉体网编辑整理/江岸)

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