鹽水電解質讓水基鋅電池更上一層樓

圖為馬里蘭大學的Fei Wang在研究水基鋅電池。圖片來源：馬里蘭大學

來自馬里蘭大學（UMD）的詹姆斯克拉克工程學院的研究小組研發了一個同時具有強大功能，可充電和本質安全的水基鋅電池。新的含鋅電池最終不僅可用於消費電子產品領域中，還可以在極端條件下，有效的改善在航空航天，軍事和深海環境中使用的安全關鍵設備和車輛的性能

由美國馬里蘭大學、陸軍研究實驗室（ARL）和國家標準與技術研究院（NIST）研究人員組成的研究小組，使用金屬鋅（1799年用於第一批電池的元素）來提高電池的能量，希望能突破他們在2015年取得的電池技術方面的進步。在以前的馬里蘭大學的先進工作中，研究人員使用新型安全的鹽水電解質來代替常規鋰離子電池中使用的易燃有機電解質。他們在Nature Materials雜誌的一篇文章中報告了他們的最新研究進展。

「水基電池可有效的防止電池火 災事故的發生，但它們的能量儲存和容量受到了限制。直到現在，我們才首次研發出了在能量密度上能夠與鋰離子電池相匹敵的水基鋅電池，而且，它還沒有發生危險。」 本文的第一作者Fei Wang（UMD克拉克學校和陸軍研究實驗室聯合任命的博士後）說。

Fei Wang引用了眾多發生在手機，筆記本電腦和電動汽車中的眾所周知的電池事故，從而表明了我們現在非常需要安全係數更高的電池，可與當前的鋰離子電池性能相匹敵，甚至能提供更好的性能。

該團隊的研發的這種新型高濃度水基鋅電池也克服了傳統鋅電池的一些缺點。傳統鋅電池的缺點包括：只能在有限的充電周期內保持住容量；在使用和再充電過程中會出現樹狀晶體結構（被稱為樹突）的破壞性生長；以及需要定期用水補充電池電解液的持續水消耗。

「現有的鋅電池安全且生產成本相對較低，但存在循環壽命較短且能量密度低的問題，因此它們並不完美，電池的發展受到了限制。我們通過使用鹽水電解質克服了鋅電池面臨的這些難題。」 馬里蘭大學教授Chunsheng Wang（化學和生物分子工程系的教授，也是本文的相關作者）解釋說。

通過科研人員之間的合作，研究人員確定了鋅電池不可逆性的（這是科研人員在可充電電池使用情況中觀察到的一種現象，即電池在額定電壓下的充電量隨電池使用次數的增加而明顯降低）根本原因，並找到了新的解決方案。

「由於新電解液中的大部分水分子都被高濃度的鹽強烈地結合在了一起，這種新型鋅電池電解液中的水分不會在開放式的電解槽中蒸發。」Chunsheng Wang解釋說，「電池技術的這一進步徹底改變了鋅空氣電池（鋅空氣電池主要是通過空氣中的氧氣來氧化鋅，例如能源電網儲存中使用的那些）。」

國家標準與技術研究院的物理學家，該論文的合著者Joseph Dura說：「如果鋅電池可以實現充電功能，那麼對於能量存儲來講，鋅電池能量密度更大而且成本更低廉。我們研究發現了一些可以用來控制電解質中的圍繞在儲存和釋放能量時在電池中來回移動的離子周圍的分子的一些方法。藉此，文章的合著者將這些知識用於製造高度可充電的鋅電池，為了將其用作消費電子，汽車和電網儲存的鋰離子電池的安全替代品。」

科研人員表示，這種電池技術的進步為日後進一步研究電池奠定了基礎，並且他們認為未來水基鋅電池很有可能會實現商業化。

「我們在這項研究工作中取得的重大發現已經觸及到了含水鋅電池的核心問題，對於其他水溶液或非水溶液多陽離子電池（例如鎂電池和鋁電池）的研究也有一定的促進作用。」 Kang Xu說（陸軍研究實驗室研究員兼論文的合著者）。

原文來自materialstoday.原文題目：Water-in-salt electrolyte gives boost to zinc batteries，由材料科技在線團隊翻譯整理

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