手機一週一充不再是夢：史丹佛大學「食鹽」電池登上Nature，電量達鋰電池六倍
机器之心發表於2021-08-26
當前，鋰離子電池（Lithium-ion batteries, LIB）廣泛應用於從電動汽車到可穿戴裝置的各種應用。在第二代鋰離子電池發明之前，研究人員在 20 世紀 70 年代開發出了第一代鋰 - 亞硫醯氯（lithium-thionyl chloride, Li-SOCl_2）電池，其中使用 SOCl_2 作為陰極電解質，鋰金屬（lithium metal）作為陽極，無定形碳（amorphous carbon）作為陰極。這種電池透過鋰氧化和陰極電解液還原為硫、二氧化硫和氯化鋰放電，以其高能量密度而聞名。
在近日的一項研究中，史丹佛大學團隊開發了一種可充電的鹼金屬 - 氯（alkali metal-chlorine）電池，其可儲存的電量是當前市售常見可充電鋰離子（lithium-ion）電池的 6 倍。該研究相關論文登上了《Nature》，共同一作是史丹佛大學化學系的博士生 Guanzhou Zhu 和 Xin Tian，通訊作者是史丹佛大學化學系教授戴宏傑（Hongjie Dai）。據介紹，這種鹼金屬 - 氯電池可以加速可充電電池的使用，並讓電池研究人員更進一步接近實現該領域的最高目標：開發一種高效能的可充電電池，使得手機可以每週一充而不再每天充電，電池汽車在一次充電時實現當前電動車 6 倍的行駛距離。
論文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03757-z從實現角度來講，這種鹼金屬 - 氯電池依賴氯化鈉（sodium chloride, Na/Cl_2）或氯化鋰（lithium chloride, Li/Cl_2）向氯的反覆化學轉化。至今還沒有人研製出高效能可充電鈉 - 氯或鋰 - 氯電池的原因是氯的反應性太強，難以高效地轉化回氯化物。在少數情況下，研究者可以實現可在充電性，但結果是電池的效能太差。事實上，戴宏傑教授與 Guanzhou Zhu 博士一開始根本沒有打算製造可充電的鈉和鋰 - 氯電池，而只是為了使用亞硫醯氯改進現有的電池技術。這種化學物質是鋰亞硫醯氯電池的主要成分之一，鋰亞硫醯氯電池是 1970 年代首次發明的一種流行的一次性電池。但在他們早期的一項涉及氯和氯化鈉的實驗中，史丹佛大學的研究者注意到，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，從而產生了一些可充電性。戴宏傑教授認為這是不可能的，他們花了至少一年的時間才意識到這件事的重要性。在接下來的幾年裡，該團隊闡明瞭可逆化學反應，並透過對電池正極的不同材料進行試驗，尋找提高其效率的方法。當他們使用來自國立中正大學的 Yuan-Yao Li 教授和他的學生 Hung-Chun Tai 所研發的先進多孔碳材料形成電極時，在這一技術的支援下取得了重大突破。碳材料具有奈米球結構，充滿許多超細孔。在實踐中，這些空心球就像一塊海綿，吸收了大量原本敏感的氯分子，並將它們儲存起來，以便以後在微孔內轉化為鹽。當電池充電時，氯分子被困在碳奈米球的微孔中並受到保護，Zhu 解釋說。然後，當電池需要排空或放電時，我們可以將電池放電並將氯轉化為 NaCl——食鹽的主要成分——可以多次迴圈重複這個過程。目前最多可以迴圈 200 次，但仍有改進的空間。其結果是向電池黃銅環設計——高能量密度邁出了一步。到目前為止，研究者已經實現了每克正極材料 1200 毫安時，而目前商用鋰離子電池的容量在每克 200 毫安時。電池容量至少是鋰離子電池的 6 倍。史丹佛大學的研究人員沒有提及電壓。此前寧德時代提出的鈉離子電池，其電芯能量密度是 160Wh/kg，電動車常用的磷酸鐵鋰電池容量在 140Wh/kg 左右。研究者設想他們的電池有一天會用於那些以前沒有用到的地方，例如衛星或遠端感測器。許多可用的衛星現在都漂浮在軌道上，由於電池耗盡而無法工作。未來，如果衛星配備了長壽命可充電電池，可以安裝太陽能充電器，那麼衛星的用途將擴大許多倍。對於消費電子產品或電動汽車來說，在設計電池結構、增加能量密度、擴大電池規模和增加迴圈次數方面還有很多工作要做。本文中研究者展示了電池的高微孔碳正極，一種起始電解質，由包含氟化物新增劑 SOCl_2 中的氯化鋁組成，電池的負極由鈉或鋰組成。該研究可以生產可充電的 Na/Cl_2 或 Li/Cl_2 電池，主要透過碳微孔中的 Cl_2/Cl^- 氧化還原和鈉或鋰金屬上的 Na/Na^+ 或 Li/Li^+ 氧化還原生成。微孔碳中可逆的 Cl_2/NaCl 或 Cl_2/LiCl 透過氧化還原在正極側提供可充電性，薄的鹼金屬 - 氟化物摻雜的鹼金屬 - 氯化物固體電解質介面穩定負極，兩者對二次鹼金屬 / Cl_2 電池至關重要。對於使用的氯化鈉（Na/Cl_2）電池，其中無定形碳奈米球（amorphous carbon nanospheres, aCNS）作為陰極， SOCl_2 中的氯化鋁（AlCl_3）作為起始電解質中的主要成分。該電池在工作 / 迴圈放電電壓為 3.5 V，容量最高達 1,200 mAh g−^1 的情況下工作 / 迴圈超過 200 次，庫倫效率（Coulombic efficiency）和能量效率（energy efficiency）分別為 99% 和 90% 以上。下圖 1 為無定形奈米球（約 60nm，1a）和首次放電時的高效能氯化鈉（Na/Cl_2）電池。
當電池第一次放電後再充電時，Na 沉積在 Na 電極上，NaCl 沉積在 aCNS 電極上被氧化（約 3.83 V）（圖 2a）形成 Cl_2，存在於 aCNS 電極中的大量孔隙中（擴充套件資料表 1）。
如下圖 3 所示，Na/Cl_2 電池在容量達到第一個較低放電平臺容量 (1,860 mAh g^-1) 時的迴圈效能。
下圖 4 展示了在 Na/Cl_2 和 Li/Cl_2 電池中，穩定的 SEI 對鈉陽極和 aCNS 陰極的重要性。
論文共同一作 Guanzhou Zhu 為史丹佛大學化學系博士生，本科畢業於加州大學洛杉磯分校。研究範圍包括開發高容量和高能量密度電池、為不同的電池系統合成新型電極和電解質，以及使用不同的表徵技術分析電池工作與故障機制。
論文通訊作者戴宏傑，美國華人化學家與應用物理學家，史丹佛大學化學系教授。他在奈米管領域是領軍人物。本科畢業於清華大學，碩士畢業於哥倫比亞大學應用科學系，博士畢業於哈佛大學應用物理系。之後進入史丹佛大學歷任助理教授和教授。2009 年被選為美國文理科學院院士，2011 年被選為美國科學促進會會員，2016 年被選為美國國家科學院院士，2020 年 9 月入選 2020 年「引文桂冠獎」。https://dailab.stanford.edu/https://www.linkedin.com/in/guanzhouzhu/https://news.stanford.edu/2021/08/25/researchers-make-alkali-metal-chlorine-batteries-rechargeable/