“食鹽”電池登上 Nature,電量密度達鋰電池 6 倍
200mAh/g,這是主流的充電
鋰電池
比容量。
1200mAh/g,這是最新的“食鹽”可充電電池比容量。
能量密度直接提升了6倍!
這就是斯坦福團隊最新的Na/Cl2和Li/Cl2可充電池:
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它可以在1200mAh/g的比容量下可逆迴圈,平均庫侖效率大於99%。
而首次放電比容量更是可以達到2800mAh/g。
這篇
Nature
刊發的電池新研究,作者團隊盡是中國面孔。
其中,共同一作是
斯坦福大學
朱冠舟博士、西南交通大學田馨博士。
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正極高微孔碳,負極鈉或鋰
這一電池的正極為高微孔碳(aCNS),負極則為鈉或鋰。
起始電解質則由溶解在氯化亞碸(SOCl2)中的氯化鋁、氟化物新增劑組成。
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其中高微孔碳是一種具有
奈米
球(Nanosphere)結構的碳材料,充滿了許多超細微孔,能夠吸收大量的氯分子並將其儲存起來。
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朱冠舟博士表示:
當電池充電時,氯分子被捕獲並儲存在碳奈米球的微孔中;放電時,再將氯轉化為氯化鈉。
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△Na/Cl2電池的充放電曲線
這種氯化鋰或氯化鈉與氯之間的氧化還原,就是促成電池可逆容量的主要反應:
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這種氧化還原作用為正極提供了可充電性,而摻有鹼氟化物(alkali-fluoride-doped)的鹼氯(alkali-chloride)固體電解質則穩定了負極。
在放電時,SOCl2電池在氧化/充電階段的各種產物都隨之減少:
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實驗結果最後表明,在3。5v的放電電壓和每克1200mAh的容量下,電池能夠超過200次迴圈。
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其庫侖效率可以大於99%,而能量效率(放電容量與每次迴圈充電容量輸入的比值)也大於90%。
在首次放電時,電池比容量可達到2800mAh/g,平均放電電壓約為3。2V。
偶然的契機:可逆化學反應
事實上,研究團隊並不是一開始就瞄準了可充電的Na/Cl2和Li/Cl2電池來研究的。
他們一開始只是想利用氯化亞碸(Thionylchloride)來改進現有的電池技術。
轉機則發生在他們早期的一場關於氯和氯化鈉的實驗中。
在這場實驗裡,斯坦福大學的研究人員發現,當一種化學物質向另一種化學物質的轉化以某種方式穩定下來時,會產生一些可充電性。
我們至少花了一年時間才意識到發生了什麼。
斯坦福大學教授戴宏傑說。
接下來的幾年裡,團隊開始研究可逆化學反應,並對電池正極材料進行了多種實驗。
最終,他們選取了具有奈米球結構的多孔碳材料製成電極,提高了效率。
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研究團隊表示,他們的最高目標是讓電動汽車能夠行駛現有平均距離的六倍遠,或者讓手機充一次電就能玩一週。
像衛星遙感器這種根本無法頻繁充電的裝置,就更是高效能充電電池未來的受益者。
許多電池電量耗盡的衛星只能漂浮在軌道上,無法再次使用。
如果未來的衛星配備壽命更長的可充電電池,比如太陽能充電池,那麼衛星的壽命也將被一併延長。
團隊介紹
論文一作朱冠舟博士斯坦福大學化學系博士生,主要研究為高容量和高能量密度電池等領域。
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共同一作田馨博士來自西南交通大學,主要研究奈米功能材料的合成製備、效能調控等領域。
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通訊作者戴宏傑本科畢業於清華大學,現在坦福大學化學系任教授。
他曾在2016年被選為美國國家科學院院士,是奈米管領域的領軍人物。
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