隨著三星Note7手機爆炸事件的持續(xù)發(fā)酵,手機硬件安全問題也引起大眾關(guān)注。“為什么電動汽車、手機爆炸事件時有發(fā)生?因為鋰離子電池由于其特性具有一定安全隱患。”近日,南開大學化學學院博士研究生張寧針對“水系鋅離子”電池設(shè)計出全新正極材料及電解液,使得鋅離子電池的效能、安全性、穩(wěn)定性等均有大幅提升和改進,相關(guān)科研成果發(fā)表在材料與化學類龍頭期刊《美國化學會志》。該成果現(xiàn)已申請專利。
張寧介紹,鋰離子電池已經(jīng)廣泛應(yīng)用于人們的生產(chǎn)生活中,然而由于鋰離子在正負極間穿梭脫嵌,易在負極表面形成針狀金屬鋰即“鋰枝晶”,從而刺穿隔膜造成內(nèi)短路,加上易燃有機電解液的使用大大降低了鋰電池的安全性。此外,鋰資源短缺且分布不均勻(主要集中在南美),使鋰離子電池價格不斷攀升,這些不利于其在大規(guī)模儲能領(lǐng)域的應(yīng)用。但鋅資源豐富廉價,同時水系電解液不存在易燃易爆隱患,其特點適合大規(guī)模儲能體系,如智能電網(wǎng)。所以,張寧將研究目標鎖定為水系鋅離子電池。
電池體系一般由正極、負極以及電解液構(gòu)成,張寧及其團隊首次利用低溫溶液法成功合成了陽離子缺陷型ZnMn2O4用作正極,同時首次使用高濃度大陰離子電解液三氟甲烷磺酸鋅(Zn(CF3SO3)2)。由于正極材料獨特的結(jié)構(gòu)和電解液特性,大大提升了鋅離子電池的循環(huán)穩(wěn)定性,循環(huán)500次后,容量保持率高達94%,庫倫效率100%,實現(xiàn)快速充電且能量“零浪費”。
鋅離子電池的使用不僅可以提升電池性能、安全穩(wěn)定性,還可以降低成本。據(jù)了解,當前市場上金屬鋅價格為約兩美元每千克,而金屬鋰價格約為300美元每千克;從年產(chǎn)量上看,金屬鋅年產(chǎn)約500萬噸,而金屬鋰年產(chǎn)只有約4萬噸。鋅資源廉價易得,更適于在生產(chǎn)實踐中大規(guī)模使用。
然而這一水系鋅離子電池目前也還存在一定問題,張寧坦言,這款電池正極材料能量密度較低,約為鋰離子電池正極材料的一半,因此目前更適用于大規(guī)模儲能體系,而不太適用于手機等便攜電子設(shè)備。“未來工作,可以集中在開發(fā)高電壓、高容量的正極材料,來提升電池的能量密度。”張寧說。
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