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美团队研发水性锌电池,具有高能量密度、可充电和本质安全等优点
王强 2018-04-21
导语

此项研究中实现的水性锌电池可成为安全电池的答案选项,同时保持了可与传统锂离子电池相比甚至更高的能量密度。

美国陆军研究实验室的科学家与美国马里兰大学(UMD)及国家标准和技术研究院(NIST)的研究人员合作,研发出水性锌电池,兼具高能量密度、可充电、本质安全等特性。基于该研究成果的同行评议论文发表于4月16日的《自然材料》杂志。

图为锌离子的示意图,在超浓缩电解液中被阴离子完全包围的锌离子正试图以一种可控和平滑的方式突破锌金属表面。

▍研究背景

世界上首个将锌作为电极的电池发明于1799年。在接下来的200多年中,许多锌电池实现了商业化,其中一些仍在销售和使用。尽管这些电池能量密度呈中等水平,但常被用来提供安全、可靠能源以满足日常需求。但在28年前出现锂离子电池后,锌电池在我们日常生活中出现的频次大幅减少。能量密度低和不可重复使用是锌电池消失的主要原因。不可充电电池已经制造了大量垃圾,对工业化社会施加了严重的环境负担。

现有电子产品中,锂离子电池都使用非水性电解液。工作时,电池电压必须达到笔记本电脑等家用电子产品所需的4伏标准,而在这个工作电压下水容易分解,所以锂电池常用有机溶剂作为电解液,但这类电解液易燃易爆,可能导致电子产品着火爆炸,存在极大安全隐患。

▍研究基础

2015年,马里兰大学Chunsheng Wang教授领导的研究团队研发出水性电解液锂离子电池,避免现有商用锂电池的着火和爆炸危险,但电压最高只能达到3伏,且其电极性能会受水溶液影响而下降。2017年9月,Wang教授与陆军研究实验室的Kang Xu博士合作研发出全球首个工作电压达到4伏的水性电解液锂离子电池。研究人员研发出一种新型聚合物凝胶涂层,因其特殊的排水性,涂在电极上后,水分子无法靠近电极表面;首次充电后,凝胶分解形成稳定界面,将电极和电解液隔离,阻止水分子在工作电压下分解,提高了电池的储能和充放电性能。

▍此次进展

研究人员此次将传统的锌电池技术与水电池技术相结合,开发出了能量密度更高、安全性也更高、成本更低的可充电电池。研究使用新型水性电解质,替代传统锂离子电池中使用的易燃有机电解质,极大提高了电池的安全性;通过添加金属锌和在电解液中添加盐,有效提高了电池的能量密度。

美国陆军研究实验室成员、研究团队领导者Kang Xu博士说:“锂离子电池的安全危害源于其所用的高易燃和有毒非水性电解液。因此,如果水性电池可充电并具有高能量密度,将变得具有吸引力。锌是一个天然候选者。

Wang教授说:“现有锌电池安全,制造成本相对廉价,但是因为低循环次数和低功率密度,他们并不完美。我们通过使用一种水盐电解液克服了这些挑战。”

▍意义

高度浓缩水性锌电池克服了传统锌电池的缺点,如只有有限次充电周期、在使用和充电过程中生长的树状晶体结构,持续水消耗导致的需周期性地向电池的电解液补充水。

作为水性锌电池功率和安全性的一个例子,UMD Clark学院和ARL联合授予博士后的Fei Wang指出,近期媒体报道了大量手机、笔记本电脑、电动汽车中电池着火的事件。此项研究中实现的水性锌电池可成为安全电池的答案选项,同时保持了可与传统锂离子电池相比甚至更高的能量密度。

Wang说:“水基电池对于阻止电子产品中的着火很重要,但是他们的能量存储和能力受到限制。直到现在,我们才首次有了可在能量密度上与锂离子电池相竞争但不会有爆炸或着火风险的电池。此次进展所取得的重大发现触碰到了水性锌电池的核心问题,并能够影响其他面临同样挑战的水基和非水基多价阳离子化学物质,例如铝和镁电池。”

▍潜在应用

研究团队相信该电池技术推进了未来研究的基础,有希望在未来实现商业化。新的水性锌电池最终不仅用于消费电子,成为锂电池的有力竞争者,还可在汽车、太空、深海等极端环境下使用。

▍资金来源

该研究资金来自能源部先期研究计划局(ARPA-E)和马里兰大学极端电池研究中心。

▍参考文献

Wang, F., Borodin, O., Gao, T., Fan, X., Sun, W., Han, F. Wang, C., "Highly reversible zinc metal anode for aqueous batteries," Nature Materials (2018), DOI: 10.1038/s41563-018-0063-z

延伸阅读

2018年3月,韩国科学技术研究院(KAIST)与韩国江原大学的研究团队开发出水性储能电池,功率密度比类似水性电池提高了百倍,安全稳定性优于锂离子电池,用传统USB充电器等低功耗系统就能在 20~30秒内将电力从零充到饱。团队通过一系列不同材料设计出全新的阴极-阳极结构,阳极由网状结构的石墨烯聚合物制成,具有高表面积以储存更多能量,阴极则由嵌在石墨烯上的氧化镍纳米粒子组成,由于能量密度高、两电极之间的能量损失降至最低,在超过10万次氧化还原循环后,其电容量仍约维持在100%。

(本文来源:微信公众号大国重器;

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  • 水性锌电池
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作者 王强

硕士研究生

西北工业大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科
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