中國粉體網訊 隨著電子設備對人們日常生活的滲透，鋰電池也成為人們生活不可或缺的重要角色，然而受限于鋰電池的組成及構件，當電池出現破損或不當使用時，鋰電池也就變成了安全隱患。從三星電池事件到近來人們對電動汽車電池組件的安全擔憂，鋰電池的安全問題日益成為限制鋰電行業發展的短板。為了解決這一問題，相關的研究團隊提出了多樣的新型的鋰電池設計思路。
鋰離子電池主要由兩個儲電電極和將它們分開的液態有機電解液組成。充放電過程中，鋰離子在電解液之間穿梭，但是有機電解液是易燃物質，容易引起安全隱患。近年來相關的研究人員嘗試使用固體電解質或者不會著火的水基電解質來替代有機電解質。但是水基電池的不足之處在于，當工作電壓超過1.23V時，電池的電極材料將會與水基電解液反應產生氫氣和氧氣，誘發更嚴重的安全問題。當工作電壓被控制在1.23V以下時，水基鋰電池的儲能效果又遠低于傳統的鋰離子電池而后者的工作電壓又遠高于前者。
2015年，馬里蘭大學材料科學家王春生的研究團隊開發了一種含鹽的水基電解質。該電解質在電極周圍形成一個保護性固體屏障，進而防止電極與水分子反應。該電池的工作電壓只能達到3V。2017年，王春生與其同事在水基電解質的基礎上又開發了與4V電壓兼容的正極材料，然而還是要面臨如何選擇處理負電荷的電極。直到5月8日，他們在《自然》雜志上宣稱，他們已經開發了一款基于石墨的陰極材料可以在4V或著更高電壓下與前述的水基電解質共同工作。
新的電極材料含有溴和氯。電池中的鋰被固體鋰—溴和鋰—氯顆粒結合并被由碳原子層組成的石墨包裹。當電池充電時，固體顆粒會解離鋰離子，將電子交給陰極，并楔入石墨碳層，形成緊密的固體。隨后在兩電極電壓差的驅動下帶有正電荷的鋰離子通過水基電解質到達陽極并與外電路電子結合。
放電時，鋰原子會失去電子并流向陰極。電子通過外電路流回陰極，陰極附近的溴和氯離子得到電子并從石墨中擴散出來。然后鋰離子與他們結合，重新形成固體顆粒，這些固體顆粒會一直呆在原地，直到下一輪充電。同時他們的陰極材料能夠比傳統陰極材料多儲存大約30%的電荷。但包括新電解質在內的全電池最終是否能比商業電池儲存更多的能量，仍有待觀察。
除了儲能和安全性上具備優勢外，新型的水基電解質電池將不需要有毒元素鈷，鈷礦開采與普遍的礦工死亡有關，新電池不僅對消費者更安全，對礦工和環境也更安全。
相關文獻網址：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1175-6
（中國粉體網編輯整理/江岸）
