《Nature》不着火、更安全！科学家开发出新型锂电池

来源：《中国科学报》，能源学人

从笔记本电脑到割草机，锂离子电池正在为许多电器提供动力。但由于依赖易燃组件，锂离子电池在损坏时容易燃烧。如今，研究人员报告说，他们已经重新设计了这些电池，使其可以利用不易燃烧的材料。除此之外，新电池甚至可能比现有型号存储更多的电能。

并未参与该项研究的美国亚特兰大市佐治亚理工学院材料科学家Gleb Yushin说，这项工作是“绝对显著的进步”。如果商业化，这种新型电池将有助于保护电动汽车司机的安全，即便他们不幸遭遇了事故。

锂离子电池包含3个主要部件——两个储电电极和将它们分开的液态有机电解液。在充放电过程中，电解液在电极之间来回运送锂离子，但这些电解液是易燃的。

近年来，研究人员尝试用固体电解质或不会着火的水基电解质取代这些有机电解质。但是，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，电极材料就会与水分子发生反应，将它们分解成氢气和氧气，这通常会导致爆炸。

然而，当研究人员将工作电压保持在1.23V的阈值以下时，最终电池存储的能量远远低于传统锂离子电池，后者的工作电压约为4V。

2015年，由马里兰大学帕克分校材料科学家王春生领导的研究团队报告称，他们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）促使电极周围形成一个保护性固体屏障，进而防止电极撕裂电解质内部的水分子。但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称已经开发出一种与4V电压兼容并可与WiSE一道工作的正极材料时，前景一片光明。接下来就只剩处理带负电荷的电极了。

美国马里兰大学王春生课题组5月8日在《自然》杂志上报导了一种可在石墨电极中进行的卤素转化-插层反应机理，其在平均电位为4.2V (versus Li/Li+)的情况下，可获得243mAh/g的高容量，（该容量是基于卤素锂盐和石墨重量计算）。随后，作者组装出电压在4V以上的高压水系锂离子全电池，该电池的能量密度可达460 Wh/kg，且平均库伦效率接近100%。

新的电极材料包括溴和氯，通过将反应电极材料锁定在电极周围的固体盐颗粒中，使其免受水基电解质的影响。电池中的锂被固体锂—溴和锂—氯盐颗粒包裹在由碳原子层组成的石墨电极周围。当电池充电时，溴原子和氯原子会抛弃锂原子，将电子交给阴极，并楔入石墨碳层之间，形成另一种紧密的固体。然后，两个电极之间的电压差驱动带正电荷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，锂离子会放弃这些电子，转而流向阴极。电子通过外部电路回到阴极，在那里，溴原子和氯原子会抓住它们。这些电荷会从石墨中扩散出来。然后锂离子会抓住它们，使固体盐颗粒重新形成，这些固体盐颗粒会一直呆在原地，直到下一轮充电。

王春生和他的同事注意到，他们的阴极材料已经能够比传统阴极材料多储存大约30%的电荷。但包括新电解质在内的全电池最终是否能比商业电池储存更多的能量，仍有待观察。

新的WiSE电池将不需要钴，这是一种传统锂离子阴极中的有毒金属。在刚果民主共和国，钴矿开采与普遍的矿工死亡有关，这些死者通常是儿童。刚果民主共和国的钴矿相对丰富。新电池不仅对消费者更安全，对矿工和环境也更安全。

图文速递：

图1. 作者提出的转化-插层机理详情。

a) LBC-G电极中的转化-插层机理图示；b) LBC-G正极的循环伏安曲线；c) LBC-G正极的恒流充放电曲线；d) DFT模拟与GITT等效电压曲线对比；e) LBC-G正极的GITT曲线；f) LBC-G正极的Nyquist点图；g) LBC-G正极的能量密度与常见其它正极对比图。

图2. Br和Cl的转化插层机理。

a) LBC-G的原位拉曼测试结果(100–550 cm−1)；b) LBC-G在首次充电时的BrK-edge XANES；c) LBC-G在首次充电时的ClK-edge XANES；d,由DFT计算出的Cn[Br](顶部)和Cn[BrCl](底部)的等表面电荷密度差；e, f) LBC-G电极在不同LiBr/LiCl摩尔比时的充放电曲线。

图3. 卤素GICs的层间和面内结构。

a) LBC-G正极在充放电循环中的拉曼光谱(1200–2850 cm−1)；b) LBC-G正极在充放电循环期间的非原位XRD衍射；c) LBC-G正极在充放电循环期间原位XRD中(0 0 m+1)峰的变化；d) LBC-G正极在50%和100% SOC时的高能XRD衍射（大概率垂直于石墨面入射）；e, f) Br2 GIC和BrCl GIC的 EXAFS的实验和拟合结果。

图4. 高能量密度水系锂离子全电池构建。

a) 锂离子全电池第三圈的充放电曲线；b) 锂离子全电池的放电容量和库伦效率；c) 不同电解质/电极质量比下的全电池放电容量；d) LBC-G全电池的实际能量密度与其它常见电池对比。