??從筆記本電腦到割草機(jī)，鋰離子電池正在為許多電器提供動(dòng)力。但由于依賴易燃組件，鋰離子電池在損壞時(shí)容易燃燒。如今，研究人員報(bào)告說，他們已經(jīng)重新設(shè)計(jì)了這些電池，使其可以利用不易燃燒的材料。除此之外，新電池甚至可能比現(xiàn)有型號(hào)存儲(chǔ)更多的電能。

并未參與該項(xiàng)研究的美國(guó)亞特蘭大市佐治亞理工學(xué)院材料科學(xué)家Gleb Yushin說，這項(xiàng)工作是“絕對(duì)顯著的進(jìn)步”。如果商業(yè)化，這種新型電池將有助于保護(hù)電動(dòng)汽車司機(jī)的安全，即便他們不幸遭遇了事故。

鋰離子電池包含3個(gè)主要部件——兩個(gè)儲(chǔ)電電極和將它們分開的液態(tài)有機(jī)電解液。在充放電過程中，電解液在電極之間來回運(yùn)送鋰離子，但這些電解液是易燃的。

近年來，研究人員嘗試用固體電解質(zhì)或不會(huì)著火的水基電解質(zhì)取代這些有機(jī)電解質(zhì)。但是，如果這些水基電池的工作電壓超過1.23伏特（V）——這甚至低于1.5V的AA電池的工作電壓，電極材料就會(huì)與水分子發(fā)生反應(yīng)，將它們分解成氫氣和氧氣，這通常會(huì)導(dǎo)致爆炸。

然而，當(dāng)研究人員將工作電壓保持在1.23V的閾值以下時(shí)，最終電池存儲(chǔ)的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)鋰離子電池，后者的工作電壓約為4V。

2015年，由馬里蘭大學(xué)帕克分校材料科學(xué)家王春生領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)報(bào)告稱，他們開發(fā)了一種新型的富含鹽的水基電解質(zhì)。這種含鹽的水電解質(zhì)（WiSE）促使電極周圍形成一個(gè)保護(hù)性固體屏障，進(jìn)而防止電極撕裂電解質(zhì)內(nèi)部的水分子。但這些電池中的電極材料只能達(dá)到3V的工作電壓。

2017年，當(dāng)王春生和他的同事報(bào)告稱已經(jīng)開發(fā)出一種與4V電壓兼容并可與WiSE一道工作的正極材料時(shí)，前景一片光明。接下來就只剩處理帶負(fù)電荷的電極了。

美國(guó)馬里蘭大學(xué)王春生課題組5月8日在《自然》雜志上報(bào)導(dǎo)了一種可在石墨電極中進(jìn)行的鹵素轉(zhuǎn)化-插層反應(yīng)機(jī)理，其在平均電位為4.2V (versus Li/Li+)的情況下，可獲得243mAh/g的高容量，（該容量是基于鹵素鋰鹽和石墨重量計(jì)算）。隨后，作者組裝出電壓在4V以上的高壓水系鋰離子全電池，該電池的能量密度可達(dá)460 Wh/kg，且平均庫(kù)倫效率接近100%。

新的電極材料包括溴和氯，通過將反應(yīng)電極材料鎖定在電極周圍的固體鹽顆粒中，使其免受水基電解質(zhì)的影響。電池中的鋰被固體鋰—溴和鋰—氯鹽顆粒包裹在由碳原子層組成的石墨電極周圍。當(dāng)電池充電時(shí)，溴原子和氯原子會(huì)拋棄鋰原子，將電子交給陰極，并楔入石墨碳層之間，形成另一種緊密的固體。然后，兩個(gè)電極之間的電壓差驅(qū)動(dòng)帶正電荷的鋰離子通過水基電解質(zhì)到達(dá)陽極，在那里，它們與外部電路提供的電子相遇。

當(dāng)電池在使用過程中放電時(shí)，鋰離子會(huì)放棄這些電子，轉(zhuǎn)而流向陰極。電子通過外部電路回到陰極，在那里，溴原子和氯原子會(huì)抓住它們。這些電荷會(huì)從石墨中擴(kuò)散出來。然后鋰離子會(huì)抓住它們，使固體鹽顆粒重新形成，這些固體鹽顆粒會(huì)一直呆在原地，直到下一輪充電。

王春生和他的同事注意到，他們的陰極材料已經(jīng)能夠比傳統(tǒng)陰極材料多儲(chǔ)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(chǔ)存更多的能量，仍有待觀察。

新的WiSE電池將不需要鈷，這是一種傳統(tǒng)鋰離子陰極中的有毒金屬。在剛果民主共和國(guó)，鈷礦開采與普遍的礦工死亡有關(guān)，這些死者通常是兒童。剛果民主共和國(guó)的鈷礦相對(duì)豐富。新電池不僅對(duì)消費(fèi)者更安全，對(duì)礦工和環(huán)境也更安全。

圖文速遞

圖1. 作者提出的轉(zhuǎn)化-插層機(jī)理詳情。

a) LBC-G電極中的轉(zhuǎn)化-插層機(jī)理圖示；b) LBC-G正極的循環(huán)伏安曲線；c) LBC-G正極的恒流充放電曲線；d) DFT模擬與GITT等效電壓曲線對(duì)比；e) LBC-G正極的GITT曲線；f) LBC-G正極的Nyquist點(diǎn)圖；g) LBC-G正極的能量密度與常見其它正極對(duì)比圖。

圖2. Br和Cl的轉(zhuǎn)化插層機(jī)理。

a) LBC-G的原位拉曼測(cè)試結(jié)果(100–550 cm?1)；b) LBC-G在首次充電時(shí)的BrK-edge XANES；c) LBC-G在首次充電時(shí)的ClK-edge XANES；d,由DFT計(jì)算出的Cn[Br](頂部)和Cn[BrCl](底部)的等表面電荷密度差；e, f) LBC-G電極在不同LiBr/LiCl摩爾比時(shí)的充放電曲線。

圖3. 鹵素GICs的層間和面內(nèi)結(jié)構(gòu)。

a) LBC-G正極在充放電循環(huán)中的拉曼光譜(1200–2850 cm?1)；b) LBC-G正極在充放電循環(huán)期間的非原位XRD衍射；c) LBC-G正極在充放電循環(huán)期間原位XRD中(0 0 m+1)峰的變化；d) LBC-G正極在50%和100% SOC時(shí)的高能XRD衍射（大概率垂直于石墨面入射）；e, f) Br2 GIC和BrCl GIC的 EXAFS的實(shí)驗(yàn)和擬合結(jié)果。

圖4. 高能量密度水系鋰離子全電池構(gòu)建。

a) 鋰離子全電池第三圈的充放電曲線；b) 鋰離子全電池的放電容量和庫(kù)倫效率；c) 不同電解質(zhì)/電極質(zhì)量比下的全電池放電容量；d) LBC-G全電池的實(shí)際能量密度與其它常見電池對(duì)比。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-019-1175-6

轉(zhuǎn)載自《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 (2019-05-14 第2版 國(guó)際)