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“食盐”电池登上 Nature,电量密度达锂电池 6 倍colorcorrect.dlm

2021-09-07 01:48

200mAh/g,colorcorrect.dlm这是主流的充电锂电池比容量。

1200mAh/g,这是最新的“食盐”可充电电池比容量。

能量密度直接提升了 6 倍!

这就是斯坦福团队最新的 Na/Cl2 和 Li/Cl2 可充电池:

它可以在 1200mAh/g 的比容量下可逆循环,平均库仑效率大于 99%。

而首次放电比容量更是可以达到 2800mAh/g。

这篇 Nature 刊发的电池新研究,作者团队尽是中国面孔。

其中,傲气仙宗共同一作是斯坦福大学朱冠舟博士、西南交通大学田馨博士。

正极高微孔碳,负极钠或锂

这一电池的正极为高微孔碳(aCNS),负极则为钠或锂。

起始电解质则由溶解在氯化亚砜(SOCl2)中的氯化铝、氟化物添加剂组成。

其中高微孔碳是一种具有纳米球(Nanosphere)结构的碳材料,充满了许多超细微孔,水枪版合金弹头能够吸收大量的氯分子并将其存储起来。

朱冠舟博士表示:

当电池充电时,氯分子被捕获并保存在碳纳米球的微孔中;放电时,再将氯转化为氯化钠。

△Na/Cl2 电池的充放电曲线

这种氯化锂或氯化钠与氯之间的氧化还原,就是促成电池可逆容量的主要反应:

这种氧化还原作用为正极提供了可充电性,魔域海盗熊猫而掺有碱氟化物(alkali-fluoride-doped)的碱氯(alkali-chloride)固体电解质则稳定了负极。

在放电时,SOCl2 电池在氧化/充电阶段的各种产物都随之减少:

实验结果最后表明,在 3.5v 的放电电压和每克 1200mAh 的容量下,电池能够超过 200 次循环。

其库仑效率可以大于 99%,美眉草莓糕而能量效率(放电容量与每次循环充电容量输入的比值)也大于 90%。

在首次放电时,电池比容量可达到 2800mAh/g,平均放电电压约为 3.2V。

偶然的契机:可逆化学反应

事实上,研究团队并不是一开始就瞄准了可充电的 Na/Cl2 和 Li/Cl2 电池来研究的。

他们一开始只是想利用氯化亚砜 (Thionyl chloride)来改进现有的电池技术。

转机则发生在他们早期的一场关于氯和氯化钠的实验中。

在这场实验里,斯坦福大学的研究人员发现,当一种化学物质向另一种化学物质的转化以某种方式稳定下来时,会产生一些可充电性。

我们至少花了一年时间才意识到发生了什么。

斯坦福大学教授戴宏杰说。

接下来的几年里,团队开始研究可逆化学反应,并对电池正极材料进行了多种实验。

最终,他们选取了具有纳米球结构的多孔碳材料制成电极,提高了效率。

研究团队表示,他们的最高目标是让电动汽车能够行驶现有平均距离的六倍远,或者让手机充一次电就能玩一周。

像卫星遥感器这种根本无法频繁充电的设备,就更是高性能充电电池未来的受益者。

许多电池电量耗尽的卫星只能漂浮在轨道上,无法再次使用。

如果未来的卫星配备寿命更长的可充电电池,比如太阳能充电池,那么卫星的寿命也将被一并延长。

团队介绍

论文一作朱冠舟博士斯坦福大学化学系博士生,主要研究为高容量和高能量密度电池等领域。

共同一作田馨博士来自西南交通大学,主要研究纳米功能材料的合成制备、性能调控等领域。

通讯作者戴宏杰本科毕业于清华大学,现在坦福大学化学系任教授。

他曾在 2016 年被选为美国国家科学院院士,是纳米管领域的领军人物。

论文地址:

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03757-z