美军团队开发水溶液锂电池,保证不会发生 Note 7 爆炸事故

作者 | 发布日期 2017 年 09 月 13 日 9:00 | 分类 电池 , 零组件
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【Technews科技新报】我们都不想手边装着锂离子电池的手机或笔记本电脑某天猝不及防自爆,最近,美军科学家和马里兰大学团队首次对外保证说,他们已经制造出一种以盐水为电解液、电压可达 4V 的锂离子电池,绝对同时拥有高能量和高安全性,潜伏在手机或笔记本电脑的爆炸风险有望在 5 年内解决。



在过去,想使用能量密度高的锂离子电池,就须选择以有机溶剂当电解液的类型,跟“不安全”妥协;或是退而求其次,使用有防火特性、但不活跃的水溶液电解液(如以镍或其他金属氢化物为电解质),安全但能量密度较低。现在,美国陆军研究实验室(US Army Research Laboratory,缩写 ARL)与马里兰大学团队再次合作,继 2015 年于《科学》期刊发布一款电压可达 3V 的水溶液锂电池后,再度将该电池的性能提升到新境界。

当年研究碍于电池电压无法达到智能手机的规格(只能提供 3V 电压,但智能手机需要 4V),且盐水电解液在使用过程中不断腐蚀电极而宣布作罢,团队在当时将其称为“阴极挑战”(cathodic challenge)。

经过 2 年修正,马里兰州大学助理研究科学家杨崇英(Chongyin Yang)这次设计出一种可保护阳极(石墨或锂金属)的凝胶聚合物,终于让水溶液锂电池的性能从 3V 飞跃到 4V。马里兰大学化学与生物分子工程教授王春生(Chunsheng Wang)教授说,“这项技术的关键就在于制造出可以阻止水和电极产生降解反应的物质。”

研究人员将这种新开发的凝胶聚合物涂覆在阳极上,隔离靠近电极表面的水分子,且当电池第一次充电时,它会分解并形成一个永久隔离水分子的界面,将阳极与电解液永远分开,保护阳极不受任何副作用损害。

水溶液电解质比有机溶剂安全,不过若电池外观损坏,仍有引起火灾和爆炸的风险,而该电池最独特之处,在于爆炸风险降至最低,就算将电池外壳刺穿,凝胶隔离层依然能防止锂和电解液反应,进而避免发生爆炸事故。团队也在以下影片实验,就算拿钉子穿破外壳,电压也没有发生剧烈变化。

不过,水溶液电解质并非完全没有缺点,它的充放循环次数相当低,仅 70 多次,就算是新开发的水溶液锂电池也只有 50~100 次。研究团队认为,至少要将电池的寿命提升至充放循环 500 次,才能在市场上与有机溶剂锂电池一争高下。军方电化学和材料科学专家 Kang Xu 表示,如果资金充足,大约 5 年内可以准备商业化。

许多科学家都认为,我们随身携带的移动设备若可以改用水溶液电池会更安全,如今开发成功的水溶液锂电池也开启了电化学领域的广泛应用,包括钠离子电池、锂硫电池等,甚至对科学家尚未深入研究的电镀技术和电化学合成也有帮助。这项研究已发布在《Joule》杂志。

(首图来源:美国陆军研究实验室

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