三星Note 7的“救星”:水基锂电池可有效防止电池爆炸

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三星Note 7的“救星”:水基锂电池可有效防止电池爆炸
麻省理工科技评论 2017-09-10

2017-09-10

较普通锂电池来说,水基锂电池最大的进步是提高了电池的安全性。
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较普通锂电池来说,水基锂电池最大的进步是提高了电池的安全性。

锂电池容易着火的问题已经困扰人们很久了,一种已经投入市场的水基锂电池似乎可以解决这个问题。美国马里兰大学与军方联手制作了4伏特电压的水基锂电池。这种新型锂电池用水基电解液取代了以往的有机电解液,避免了有机物易燃烧的缺点。如果三星在产品中用了水基锂电池,说不定可以避免手机爆炸的悲剧。

美国陆军研究实验室电化学家和材料科学家Kang Xu对电池的安全性和电量大小做出了评价,“在过去的研究中,如果要制造较大电量的电池,就得用有机电解液。这样一来电池的安全性就要降低。而如果将安全性作为重点的话,电池通常用镍或者其他金属的氢化物作为电解质,可是电池的能量就会降低”。所以说,电池的安全性和电量大小总是需要一个平衡点,很难做到两者兼顾。“然而,我们的研究能同时保证电池高安全性和大电量的特点。”Kang Xu补充道。

如果用钉子重复钉入4伏水基锂电池,它的初始电压并不会有太大改变,而且也没有出现烟或者爆炸的现象。通常来说,与其相似的非水基锂电池会发生短路,甚至存在着爆炸的风险。

早在2015年,这个研究组发表过水基锂电池的研究成果,然而当时的研究成果却不尽人意。之前的水基锂电池只能提供3伏特的电压,而且重复利用率很差,他们将这个缺点称为“阴极挑战”。“阴极挑战”的问题来源是由于电解液中含有盐,所以在电池工作时会腐蚀电极(阳极阴极中的一个电极),降低电池利用率。该研究的参与者Chunsheng Wang表示,“这项研究的关键点就是找到合适的胶体隔离水和电极。如此一来水和电极不会发生反应,而且隔离层还能增加电池释放的能量”。

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研究组近期的新研究成果在这个问题上有了明显的改善,不仅仅电压升高至了4伏特,他们还在电极上加了一层隔离层,使它免受电解液的侵蚀。疏水隔离层是一种胶体,它能赶走靠近电极表面的水分子。当电池第一次充电时,它会分解并形成一个能永久隔离水分子的界面,将固体电极与电解液分开。除了这一点,隔离层还有其他的作用。它能增强水的电化学稳定窗口,通常在热力平衡下是1.23伏特,而在隔离层的作用下,水的电化学稳定窗口会提高到平衡数值以上。

制造水基锂电池有一个关键点:电解液不仅仅是水,还要有盐的存在,锂会与水发生剧烈的化学反应,而使用加了盐的水反应就会缓和许多。隔离了水之后,电池就可以选择利用率高并能释放更多能量的材料作为电源的阳极,比如石墨或者锂金属。

较普通锂电池来说,水基锂电池最大的进步是提高了电池的安全性。基本上水基锂电池是不会着火或爆炸的。斯坦福大学的实验曾经见证了热失控导致的高温下(超过1085℃)电池融化。即使电池被击穿,隔离层也能防止锂和电解液反应,避免火灾和爆炸。水基锂电池也是存在缺点的:水基锂电池的使用寿命很短,重复充电100次就可以让电极腐蚀得不像样。Wang和其他研究者们认为,将充电次数提高至500次就可以使水基锂电池与有机锂电池竞争了。

Kang Xu表示:“这是我们首次将锂电极或石墨电极与水基电解液放在一起。这在电化学研究中可以说是一个新突破,因为这项技术同时可以应用于其他化学电池中,像钠离子电池、锂硫电池等。同时,它对多种离子的研究也很有价值,比如说锌和镁;甚至对电镀技术和电化学合成也有帮助。但这些领域我们还没有做深入的探究。”

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