如今，研究人員報(bào)告說(shuō)，他們已經(jīng)重新設(shè)計(jì)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(xiàn)有型號(hào)存儲(chǔ)更多的電能。

 

并未參與該項(xiàng)研究的美國(guó)亞特蘭大市佐治亞理工學(xué)院材料科學(xué)家Gleb Yushin說(shuō)，這項(xiàng)工作是“絕對(duì)顯著的進(jìn)步”。如果商業(yè)化，這種新型電池將有助于保護(hù)電動(dòng)汽車(chē)司機(jī)的安全，即便他們不幸遭遇了事故。

 

鋰離子電池包含3個(gè)主要部件——兩個(gè)儲(chǔ)電電極和將它們分開(kāi)的液態(tài)有機(jī)電解液。在充放電過(guò)程中，電解液在電極之間來(lái)回運(yùn)送鋰離子，但這些電解液是易燃的。

 

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

 

然而，當(dāng)研究人員將工作電壓保持在1.23V的閾值以下時(shí)，最終電池存儲(chǔ)的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)鋰離子電池，后者的工作電壓約為4V。 2015年，由馬里蘭大學(xué)帕克分校材料科學(xué)家王春生領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)報(bào)告稱(chēng)，他們開(kāi)發(fā)了一種新型的富含鹽的水基電解質(zhì)。這種含鹽的水電解質(zhì)(WiSE)促使電極周?chē)纬梢粋€(gè)保護(hù)性固體屏障，進(jìn)而防止電極撕裂電解質(zhì)內(nèi)部的水分子。但這些電池中的電極材料只能達(dá)到3V的工作電壓。

 

2017年，當(dāng)王春生和他的同事報(bào)告稱(chēng)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種與4V電壓兼容并可與WiSE一道工作的正極材料時(shí)，前景一片光明。接下來(lái)就只剩處理帶負(fù)電荷的電極了。

 

如今，王春生和他的同事已經(jīng)做到了這一點(diǎn)。他們5月8日在《自然》雜志上報(bào)告說(shuō)，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種基于石墨的陰極，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(guò)將反應(yīng)電極材料鎖定在電極周?chē)墓腆w鹽顆粒中，使其免受水基電解質(zhì)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?chē)．?dāng)電池充電時(shí)，溴原子和氯原子會(huì)拋棄鋰原子，將電子交給陰極，并楔入石墨碳層之間，形成另一種緊密的固體。然后，兩個(gè)電極之間的電壓差驅(qū)動(dòng)帶正電荷的鋰離子通過(guò)水基電解質(zhì)到達(dá)陽(yáng)極，在那里，它們與外部電路提供的電子相遇。

 

當(dāng)電池在使用過(guò)程中放電時(shí)，鋰離子會(huì)放棄這些電子，轉(zhuǎn)而流向陰極。電子通過(guò)外部電路回到陰極，在那里，溴原子和氯原子會(huì)抓住它們。這些電荷會(huì)從石墨中擴(kuò)散出來(lái)。然后鋰離子會(huì)抓住它們，使固體鹽顆粒重新形成，這些固體鹽顆粒會(huì)一直呆在原地，直到下一輪充電。

 

新的WiSE電池將不需要鈷，這是一種傳統(tǒng)鋰離子陰極中的有毒金屬。在剛果民主共和國(guó)，鈷礦開(kāi)采與普遍的礦工死亡有關(guān)，這些死者通常是兒童。剛果民主共和國(guó)的鈷礦相對(duì)豐富。新電池不僅對(duì)消費(fèi)者更安全，對(duì)礦工和環(huán)境也更安全。據(jù)了解，這種設(shè)計(jì)有點(diǎn)像人肺，空氣通過(guò)纖維碳層進(jìn)入電池然后遇到第二層，這是第二層稍微多孔，最后在第三層結(jié)束，第三層幾乎沒(méi)有多孔。由導(dǎo)電聚合物制成的第三層允許鉀離子穿過(guò)陰極，但限制分子氧進(jìn)入陽(yáng)極。該設(shè)計(jì)意味著電池可以充電至少125次，使鉀氧電池的使用壽命超過(guò)以前使用低成本電解質(zhì)的壽命的12倍。