不著火 更安全 科學家開發出新型鋰電池

三星手機的鋰離子電池起火。圖片來源：SHAWN L. MINTER/AP

從筆記本電腦到割草機，鋰離子電池正在為許多電器提供動力。但由於依賴易燃組件，鋰離子電池在損壞時容易燃燒。如今，研究人員報告說，他們已經重新設計了這些電池，使其可以利用不易燃燒的材料。除此之外，新電池甚至可能比現有型號存儲更多的電能。

並未參與該項研究的美國亞特蘭大市喬治亞理工學院材料科學家Gleb Yushin說，這項工作是「絕對顯著的進步」。如果商業化，這種新型電池將有助於保護電動汽車司機的安全，即便他們不幸遭遇了事故。

鋰離子電池包含3個主要部件——兩個儲電電極和將它們分開的液態有機電解液。在充放電過程中，電解液在電極之間來回運送鋰離子，但這些電解液是易燃的。

近年來，研究人員嘗試用固體電解質或不會著火的水基電解質取代這些有機電解質。但是，如果這些水基電池的工作電壓超過1.23伏特（V）——這甚至低於1.5V的AA電池的工作電壓，電極材料就會與水分子發生反應，將它們分解成氫氣和氧氣，這通常會導致爆炸。

然而，當研究人員將工作電壓保持在1.23V的閾值以下時，最終電池存儲的能量遠遠低於傳統鋰離子電池，後者的工作電壓約為4V。

2015年，由馬里蘭大學帕克分校材料科學家王春生領導的研究團隊報告稱，他們開發了一種新型的富含鹽的水基電解質。這種含鹽的水電解質（WiSE）促使電極周圍形成一個保護性固體屏障，進而防止電極撕裂電解質內部的水分子。但這些電池中的電極材料只能達到3V的工作電壓。

2017年，當王春生和他的同事報告稱已經開發出一種與4V電壓兼容並可與WiSE一道工作的正極材料時，前景一片光明。接下來就只剩處理帶負電荷的電極了。

如今，王春生和他的同事已經做到了這一點。他們5月8日在《自然》雜誌上報告說，已經開發出一種基於石墨的陰極，可以在4V或更高電壓下與WiSE一道工作。

新的電極材料包括溴和氯，通過將反應電極材料鎖定在電極周圍的固體鹽顆粒中，使其免受水基電解質的影響。電池中的鋰被固體鋰—溴和鋰—氯鹽顆粒包裹在由碳原子層組成的石墨電極周圍。當電池充電時，溴原子和氯原子會拋棄鋰原子，將電子交給陰極，並楔入石墨碳層之間，形成另一種緊密的固體。然後，兩個電極之間的電壓差驅動帶正電荷的鋰離子通過水基電解質到達陽極，在那裡，它們與外部電路提供的電子相遇。

當電池在使用過程中放電時，鋰離子會放棄這些電子，轉而流向陰極。電子通過外部電路回到陰極，在那裡，溴原子和氯原子會抓住它們。這些電荷會從石墨中擴散出來。然後鋰離子會抓住它們，使固體鹽顆粒重新形成，這些固體鹽顆粒會一直呆在原地，直到下一輪充電。

王春生和他的同事注意到，他們的陰極材料已經能夠比傳統陰極材料多儲存大約30%的電荷。但包括新電解質在內的全電池最終是否能比商業電池儲存更多的能量，仍有待觀察。

新的WiSE電池將不需要鈷，這是一種傳統鋰離子陰極中的有毒金屬。在剛果民主共和國，鈷礦開採與普遍的礦工死亡有關，這些死者通常是兒童。剛果民主共和國的鈷礦相對豐富。新電池不僅對消費者更安全，對礦工和環境也更安全。

（來源：《自然》 王春生等）

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