三星Note 7的「救星」：水基鋰電池可有效防止電池爆炸

鋰電池容易著火的問題已經困擾人們很久了，一種已經投入市場的水基鋰電池似乎可以解決這個問題。

美國馬里蘭大學與軍方聯手製作了4伏特電壓的水基鋰電池。這種新型鋰電池用水基電解液取代了以往的有機電解液，避免了有機物易燃燒的缺點。如果三星在產品中用了水基鋰電池，說不定可以避免手機爆炸的悲劇。

美國陸軍研究實驗室電化學家和材料科學家Kang Xu對電池的安全性和電量大小做出了評價，「在過去的研究中，如果要製造較大電量的電池，就得用有機電解液。這樣一來電池的安全性就要降低。而如果將安全性作為重點的話，電池通常用鎳或者其他金屬的氫化物作為電解質，可是電池的能量就會降低」。所以說，電池的安全性和電量大小總是需要一個平衡點，很難做到兩者兼顧。「然而，我們的研究能同時保證電池高安全性和大電量的特點。」Kang Xu補充道。

如果用釘子重複釘入4伏水基鋰電池，它的初始電壓並不會有太大改變，而且也沒有出現煙或者爆炸的現象。通常來說，與其相似的非水基鋰電池會發生短路，甚至存在著爆炸的風險。

早在2015年，這個研究組發表過水基鋰電池的研究成果，然而當時的研究成果卻不盡人意。之前的水基鋰電池只能提供3伏特的電壓，而且重複利用率很差，他們將這個缺點稱為「陰極挑戰」。「陰極挑戰」的問題來源是由於電解液中含有鹽，所以在電池工作時會腐蝕電極（陽極陰極中的一個電極），降低電池利用率。

該研究的參與者Chunsheng Wang表示，「這項研究的關鍵點就是找到合適的膠體隔離水和電極。如此一來水和電極不會發生反應，而且隔離層還能增加電池釋放的能量」。

研究組近期的新研究成果在這個問題上有了明顯的改善，不僅僅電壓升高至了4伏特，他們還在電極上加了一層隔離層，使它免受電解液的侵蝕。疏水隔離層是一種膠體，它能趕走靠近電極表面的水分子。當電池第一次充電時，它會分解並形成一個能永久隔離水分子的界面，將固體電極與電解液分開。

除了這一點，隔離層還有其他的作用。它能增強水的電化學穩定窗口，通常在熱力平衡下是1.23伏特，而在隔離層的作用下，水的電化學穩定窗口會提高到平衡數值以上。

製造水基鋰電池有一個關鍵點：電解液不僅僅是水，還要有鹽的存在。就像下面視頻中展示的一樣，鋰會與水發生劇烈的化學反應，而使用加了鹽的水反應就會緩和許多。

隔離了水之後，電池就可以選擇利用率高並能釋放更多能量的材料作為電源的陽極，比如石墨或者鋰金屬。

較普通鋰電池來說，水基鋰電池最大的進步是提高了電池的安全性。基本上水基鋰電池是不會著火或爆炸的。斯坦福大學的實驗曾經見證了熱失控導致的高溫下（超過1085℃）電池融化。即使電池被擊穿，隔離層也能防止鋰和電解液反應，避免火災和爆炸。

水基鋰電池也是存在缺點的：水基鋰電池的使用壽命很短，重複充電100次就可以讓電極腐蝕得不像樣。Wang和其他研究者們認為，將充電次數提高至500次就可以使水基鋰電池與有機鋰電池競爭了。

Kang Xu表示：「這是我們首次將鋰電極或石墨電極與水基電解液放在一起。這在電化學研究中可以說是一個新突破，因為這項技術同時可以應用於其他化學電池中，像鈉離子電池、鋰硫電池等。同時，它對多種離子的研究也很有價值，比如說鋅和鎂；甚至對電鍍技術和電化學合成也有幫助。但這些領域我們還沒有做深入的探究。」

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