不着火 更安全 科学家开发出新型锂电池

三星手机锂离子电池着火。资料来源:肖恩·明特/美联社

从笔记本电脑到割草机，锂离子电池为许多电器提供电力。然而，由于锂离子电池依赖易燃成分，因此在损坏时很容易燃烧。现在，研究人员报告说，他们已经重新设计了这些电池，以利用不可燃材料。此外，新电池甚至可能比现有型号储存更多的能量。

美国亚特兰大佐治亚理工学院的材料科学家格雷布·尤辛没有参与这项研究，他说这项工作“绝对是显著的进步”。如果商业化，这种新电池将有助于保护电动汽车司机的安全，即使他们不幸遭遇事故。

锂离子电池由三个主要部件组成:两个存储电极和分隔它们的液态有机电解质。在充电和放电过程中，电解质在电极之间来回携带锂离子，但是这些电解质是易燃的。

近年来，研究人员试图用不会着火的固体电解质或水基电解质来代替这些有机电解质。然而，如果这些水基电池的工作电压超过1.23伏特(V)-这甚至低于1.5V的AA电池的工作电压，电极材料将与水分子反应并将它们分解成氢和氧，这通常会导致爆炸。

然而，当研究人员将工作电压保持在1.23伏的阈值以下时，储存在最终电池中的能量远低于传统锂离子电池的能量，传统锂离子电池的工作电压约为4伏

2015年，由马里兰大学帕克分校的材料科学家王春生领导的一个研究小组报告说，他们已经开发了一种新型的富含盐的水基电解质。这种含盐的水电解质(WiSE)促进了电极周围保护性固体屏障的形成，从而防止电极撕裂电解质内部的水分子。然而，这些电池中的电极材料只能达到3V的工作电压。

2017年，当王春生和他的同事报告说他们已经开发出一种与4V电压兼容并能与WiSE合作的正极材料时，前景一片光明。下一步是处理带负电的电极。

现在，王春生和他的同事已经做到了这一点。他们在5月8日的《自然》杂志上报道说，他们已经开发出一种石墨基阴极，可以在4V或更高的电压下与WiSE一起工作。

新的电极材料包括溴和氯，它们通过将反应性电极材料锁定在电极周围的固体盐颗粒中而免受水基电解质的影响。电池中的锂被固态锂-溴和锂-氯盐颗粒围绕在由碳原子层组成的石墨电极周围。当电池充电时，溴原子和氯原子将丢弃锂原子，将电子传递到阴极，并楔入石墨碳层之间，形成另一种致密的固体。然后，两个电极之间的电压差驱动带正电的锂离子通过水基电解质到达阳极，在那里它们与外部电路提供的电子相遇。

当电池在使用过程中放电时，锂离子会释放这些电子并流向阴极。电子通过外部电路返回到阴极，在那里溴和氯原子捕捉它们。这些电荷会从石墨中扩散出来。然后锂离子会抓住它们，导致固体盐颗粒再次形成。这些固体盐颗粒会留在原处，直到下一轮充电。

王春生和他的同事们已经注意到，他们的阴极材料比传统的阴极材料能够储存多30%的电荷。然而，包括新电解质在内的全电池能否最终储存比商用电池更多的能量，还有待观察。

新的WiSE电池不需要钴，钴是传统锂离子阴极中的有毒金属。在刚果**，钴矿开采导致矿工普遍死亡，通常是儿童。刚果**的钴矿相对丰富。新电池不仅对消费者更安全，对矿工和环境也更安全。(赵茜·Xi)

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41586-019-1175-6

《中国科学日报》(2019-05-14第二版国际版)