更安全、經濟、能量密度更高的水系鋰離子電池研究迎來重要突破，在最新的研究進展中，馬裡蘭大學化學與生物分子工程系終身教授王春生 (Robert Franklin and Frances Riggs Wright Distinguished Chair) 的團隊的楊重寅博士，陳驥博士利用鹵族元素（溴、氯）+石墨開發出一種與傳統鋰電池完全不同的正極材料，造出能量密度最高達到 304Wh/kg 的水系鋰離子電池，同時該電池在安全性、經濟性上比目前常見的鋰離子電池有明顯優勢。
該正極材料的能量密度是如今商用鈷酸鋰正極的 1.5-2 倍左右。搭配上石墨負極，高安全性水系電解質，電池能量密度最高達到 304Wh/kg(含電解液)，相當甚至高於目前商用鋰離子電池的能量密度。該成果於近日發表在了Nature上，論文第一作者為馬裡蘭大學化學與生物分子工程系研究員楊重寅、陳驥。
圖 | 楊重寅（左）手中為電池的石墨電極，陳驥（右）手中為新型正極材料、WiS水基電解液（來源：採訪對象提供）
目前，團隊已經利用這一技術在實驗室內造出了小型的紐扣電池，並與法國電池製造商 Saft 達成了合作，有望在不久的將來實現商用化。
安全、經濟的水系鋰離子電池
電池安全事關大眾消費者的人身、財產安全，一直都是一個焦點問題。電池不安全的常見表現是熱失控，在內部短路、大電流充/放電、過充電等情況下，電池內部產生大量熱量，達到較高溫度後，存在發生燃燒、爆炸的風險。
如今，較為成熟、廣泛使用的鋰離子電池都屬於有機鋰離子電池，即電池中的電解質均為高度易燃的有機溶液。這就導致溶液容易在熱失控的情況下起火甚至爆炸。同時，提高電池的能量密度則會在一定程度上進一步增加熱失控的可能性，降低電池的安全性，這也是鋰電池發展的瓶頸所在。
圖 | 電動車起火燒毀（來源：麻省理工科技評論）
水系鋰離子電池概念最早在 1994 年由加拿大著名鋰電池科學家 J. R. Dahn 提出，水系鋰離子電池的最大特點即電池的電解質不是有機溶液而是水溶液，由於水溶液不可燃，甚至還有很強的阻燃性，因此明顯更加安全。在性能表現上，水系鋰離子電池的電導率比有機體系高 1-2 個數量級，因此功率更好；此外，水系鋰離子電池的成本更低、汙染更小。
但與此同時，水系鋰離子電池的問題也非常突出，在此前研究中，由於純水本身的分解電壓低（1.23V），所以此前的水系鋰離子電池穩定工作電壓甚至難以突破 2V，但我們日常使用的電池工作電壓通常在 3-4V。因此，水系鋰電池尚無法滿足日常使用對能量密度的要求，這也是傳統鋰電池無法擺脫有機電解質的關鍵原因。
早在 2015 年，王春生團隊和美國陸軍實驗室合作提出了“water-in-salt”高電壓窗口水系電解液（簡稱 WiSE），這種電解液能夠有效地降低水的活性並在工作時在負極周圍生成保護性固體屏障，阻止水被電解成氫氣、氧氣。這項研究將電池中的水溶液的氧化還原電位窗口提升到了3V 左右。這一結果意味著水系鋰離子電池研究的突破了關鍵的電壓限制。該成果發表在Science雜誌上。到 2017 年，王春生團隊發明了一種新型的負極保護策略，使得原本的水系電解液窗口拓寬到了 4 V 以上。
接下來的研究工作，就是找到與 WiSE 匹配的正極、負極材料來進一步提高能量密度。在最新的研究中，團隊開發了一種完全不同於傳統鋰電池正極材料，並且匹配了高安全性的水系電解液。這一關鍵成果近期發表在Nature雜誌上。
至此，王春生團隊在電解質、正極、負極材料上均實現了突破，並組裝出工作電壓在 4V 以上的高壓水系鋰離子電池系統。
具體來說，這種新型正極材料突破了原有正極材料依賴過渡金屬元素的固有思路，使用了溴和氯元素承擔氧化還原的過程。而電解質中的高濃度鋰鹽可有效阻止溴、氯離子到處移動，將它們鎖定在電極周圍的固體鹽顆粒中，免受水系電解質的影響。
圖 | 該電池的充放電反應（來源：該研究論文）
在給電池充電時，正極中水合的溴離子和氯離子發生氧化反應，放出電子，氧化成溴、氯原子，並嵌入石墨正極的碳層之間，形成一層牢牢的固體。另一邊，帶正電荷的鋰離子通過水系電解質到達負極，與通過外部電流到達的電子發生還原反應，並嵌入石墨負極的碳層之間，充電完成。
之後，電池放電過程中，石墨負極的碳層之間的金屬鋰釋放電子，變成鋰離子。同時電子也在放電過程中，通過外部電路從負極到達正極，溴、氯原子得到電子，分別變成溴離子和氯離子。此時，water-in-salt 電解質阻擋住流動的溴和氯離子移動，重新在正極內生成固體鹽顆粒，直到下一輪充電。
正極材料：決定鋰電池性能的關鍵一環
一個常見的鋰電池一般包括了正極材料、負極材料、電解質、隔膜和電池外殼。正極、負極和電解質都是電池的關鍵部分。
而正極材料是限制鋰離子電池能量密度的關鍵環節。簡單來說，作為一個整體的系統，電池的能量密度與正極、負極、電解液都是相關的，而且正極材料是這三者中的短板。如常用作負極的石墨電極，其容量在很早以前就達到了 350Wh/kg。但對正極材料來說，即使是目前較前沿的 NCM811，容量也僅在 200Wh/kg 左右。
對鋰離子電池來說，目前常見的做法都是用過渡金屬氧化物作為正極材料。楊重寅介紹道，這種過渡金屬氧化物通常是呈層狀結構，或是有孔道的結構，能夠保證讓鋰離子自由進出的過程中結構不會崩塌。但問題在於，金屬氧化物骨架本身重量很大，且這一部分本身並不能提供容量，這就變相降低了電池的能量密度。
第二種是依賴硫、氧等陰離子變價的轉換反應的正極（如鋰硫電池，鋰空氣電池中的硫和空氣電極），由於它們的材料重量非常小，因此能得到的理論容量非常高，但是缺點在於缺乏固定的結構骨架，因此可逆性相對較差，無法保證電池的循環使用壽命。
而該團隊則提出了在正極材料中使用鹵族元素（包括溴、氯），其電位比氧族元素更高。但這麽做的問題之一，就是如溴、氯等元素在氧化之後形成液態、氣態的單質，這對電池直接使用帶來很大的麻煩。為了解決這個問題，團隊採用了一種全新的思路，就是用石墨來固定被氧化後的活性物質。
這種方法就結合了兩種傳統正極材料的優點，既利用了鹵素陰離子氧化還原的高容量和高電壓，又利用了鹵素單質易於可逆地插入/脫出石墨層間的特性，提高了穩定性。
實驗表明，這種正極材料的理論容量能夠高於傳統的過渡金屬氧化物。論文顯示，該電池的正極能量密度達到了 970Wh/kg，這個數字幾乎是商用的過渡金屬插層正極鈷酸鋰的兩倍。算上正極、負極以及電解質總質量之後，該水系全電池的能量密度約為 304Wh/kg，相當甚至高於目前商用鋰離子電池的能量密度。
圖 | 電池的正極材料（LBC-G）能量密度達到了 970Wh/kg（來源：該研究論文）
當然，這項技術還未能馬上投入使用。陳驥向 DeepTech 表示，這項研究還處在早期的概念驗證階段，目前團隊已經利用這項技術在實驗室內做出了體積較小的紐扣電池。在投入實際使用前，還有大量的後續工作需要進行，比如，石墨材料在水溶液中的穩定性還需要進一步提高，才能滿足電池的商用要求，這些都需要進一步的驗證和優化。
與此同時，將技術投入產業化的工作已經開啟。楊重寅表示，目前正在與法國電池製造商 Saft 合作，團隊負責提供技術，而 Saft 則負責將該電池技術放大，造出較大的電池原型。
此外，除了完善水系鋰離子電池的工作性能，楊重寅還正在探索將這種正極材料運用在固態電池以及非水系鋰離子電池上的可能性。
電池研究的未來方向
隨著近年來以汽車行業為代表的電動化趨勢明顯，電池研究獲得了相當廣泛的關注。目前，除了傳統的鋰電池，固態電池和水系鋰離子電池也都掀起了研究熱潮。其中，高能量密度、高安全性是電池研究的兩大關鍵因素，如何在保障安全性的基礎之上，提高能量密度是學界和業界的共同追求。
圖 | 特斯拉 Model S 電池示意圖（來源：Bloomberg）
對鋰電池的未來發展，王春生認為，目前的有機體系已經發展到了明顯的瓶頸階段，即在提高能量密度的時候，難以保證很好的安全性。因此，在提高能量密度的同時，不損失安全性是電池研究的必然方向。這便是固態電池和水系鋰離子電池的潛力所在。
王春生認為，這兩個方向都有非常大的前景和希望，同時也有各自需要解決的問題。他表示，目前有機體系的電池在穩定性方面已經做的非常成熟，這也是水系鋰離子電池和固態電池需要克服的技術難題。
在現階段，固態電池和水系鋰離子電池之間的優劣還難下定論，不過可以肯定是，只要有所突破，必然能夠在部分使用場景下，成為比傳統鋰離子電池的更好選擇。再考慮到這兩條技術路線已經吸引了大量的研究者和研究經費，相信關鍵突破將會很快到來。
-End-
參考：
https://www.sciencemag.org/news/2019/05/new-generation-lithium-ion-batteries-could-hold-more-charge-without-catching-fire
請隨簡歷附上3篇往期作品（實習生除外）
香港九龍灣馬來街興發大廈15樓D室