美國華人科學(xué)家日前表示,他們研制出一種基于水基電解液的新型鋰離子
電池,不僅消除了傳統(tǒng)鋰離子
電池的爆炸風(fēng)險(xiǎn),且能量密度達(dá)到傳統(tǒng)鋰離子電池水平,朝著安全鋰離子電池實(shí)用化方向邁出一大步。
這項(xiàng)工作由美國馬里蘭大學(xué)的王春生教授、楊重寅博士以及美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室資深化學(xué)家許康等人合作完成,論文發(fā)表在美國細(xì)胞出版社旗下《焦耳》雜志上。
“這是第一次實(shí)現(xiàn)水基電解液的4伏級(jí)電池,從原理上說是很重大的基礎(chǔ)性突破。”楊重寅等人在給記者的一份電子郵件中說,傳統(tǒng)商用化鋰離子電池使用的是極易燃的有機(jī)電解液,安全隱患嚴(yán)重。而用不可燃的水基電解液替換有機(jī)電解液的問題在于,前者電化學(xué)穩(wěn)定窗口一般小于2伏,一旦電極電壓超過這個(gè)數(shù)字,電解液就會(huì)失去穩(wěn)定,因此能量密度受限。
王春生和許康稱,他們?cè)?015年發(fā)明了一種高鹽濃度的水基電解液,使得電化學(xué)穩(wěn)定窗口達(dá)到了3伏。而在最新的研究工作中,他們通過在負(fù)極表面做可自修復(fù)的保護(hù)層讓這一窗口突破了4伏。
科學(xué)家們解釋說,最新研究的關(guān)鍵在于,避免鋰金屬或石墨電極直接接觸水基電解液中的水分子而導(dǎo)致還原產(chǎn)氫。為此,他們開發(fā)出一種非常疏水的膠體保護(hù)層材料,均勻包覆在電極表面,有效防止了水分解副反應(yīng)導(dǎo)致的電極失效。
更關(guān)鍵的是,他們發(fā)現(xiàn),在最初的充放電循環(huán)中,保護(hù)層中特定組分在負(fù)極表面原位形成更為致密疏水的固體電解液界 面層,進(jìn)一步鈍化了負(fù)極表面,并且這一固體界 面層可在局部破損情況下自我修復(fù),保證了電池的長期穩(wěn)定性。
王春生和許康等人指出,該研究成果為研發(fā)高電壓窗口的安全水基鋰離子電池提供了新方向和思路。不過,他們也強(qiáng)調(diào),目前的研究還只是實(shí)驗(yàn)室中的概念驗(yàn)證,距離商業(yè)化還有相當(dāng)長的一段路要走。下一步,他們計(jì)劃進(jìn)一步優(yōu)化和完善電解液保護(hù)層材料的化學(xué)成分和電池結(jié)構(gòu),并提高電池壽命。
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