電池新風(fēng)向

陳秀娟

醌類(lèi)有機(jī)負(fù)極材料的發(fā)現(xiàn)，突破了水系電池的壽命瓶頸，對(duì)電池行業(yè)各類(lèi)產(chǎn)品的升級(jí)改造具有重要意義。

動(dòng)力電池作為能量?jī)?chǔ)存裝置，是電動(dòng)汽車(chē)的核心部件。其性能的優(yōu)劣直接影響電動(dòng)汽車(chē)的市場(chǎng)應(yīng)用和普通消費(fèi)者的接受度。而當(dāng)下，電動(dòng)汽車(chē)電池著火的事件時(shí)有發(fā)生，這反映出當(dāng)下動(dòng)力電池存在著一定的安全隱患。對(duì)比而言，當(dāng)下市場(chǎng)上的鉛酸電池和鎳氫電池等水系電池使用水作為電解液，具有低成本、安全、不會(huì)燃燒等優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)也很明顯——循環(huán)壽命短，只有300次左右，無(wú)法滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)5000次以上循環(huán)壽命的儲(chǔ)能需求。

那么，有沒(méi)有一種既安全且長(zhǎng)壽命的電化學(xué)儲(chǔ)能來(lái)解決這一問(wèn)題？

近日，由美國(guó)休斯頓大學(xué)德州超導(dǎo)中心教授姚彥帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)利用廉價(jià)的有機(jī)材料制備出的新型水系鋰離子電池，則很好地解決了這一難題。那么，這種新型的水系鋰離子電池相比傳統(tǒng)的水系電池有哪些優(yōu)勢(shì)？

傳統(tǒng)負(fù)極材料短板

據(jù)姚彥課題組成員梁衍亮博士介紹，對(duì)當(dāng)下市面上的各種水系電池來(lái)說(shuō)，其壽命的短板幾乎都?xì)w結(jié)于這些水電池組成部件中的負(fù)極材料?！澳壳坝糜谒惦姵氐呢?fù)極材料或多或少地存在著結(jié)構(gòu)和化學(xué)穩(wěn)定性的問(wèn)題。尤其是電流流過(guò)的部分，這意味著，一段時(shí)間之后，電池的容量會(huì)衰減，導(dǎo)致其壽命短?！绷貉芰琳f(shuō)道。

具體說(shuō)來(lái)，當(dāng)下的水系電池主要可以分為酸性電池、堿性電池、中性電池三大類(lèi)，由這三大類(lèi)水系電池的負(fù)極材料產(chǎn)生的問(wèn)題不可忽視。

對(duì)于酸性電池而言，以鉛酸電池為代表。經(jīng)過(guò)超過(guò)150年的發(fā)展，金屬鉛仍然是目前唯一能用于酸性電池的負(fù)極材料。但是，金屬鉛除了有毒之外，還會(huì)在深度充放電的過(guò)程中發(fā)生“硫酸鹽化”而形成電荷無(wú)法穿透的鈍化層，導(dǎo)致循環(huán)壽命一般只在300多。這種深充放場(chǎng)合目前多見(jiàn)于電動(dòng)自行車(chē)，這種需要一年一換的電池顯然難以大面積應(yīng)用。

對(duì)于堿性電池而言，涵蓋了鎳鐵、鎳鎘、鎳氫和鎳鋅等電池。在堿性電池100多年的演變史中，正極材料始終固定為性能優(yōu)越的氫氧化鎳，而負(fù)極材料經(jīng)過(guò)了鐵、鎘、儲(chǔ)氫合金和鋅等多代更迭后，仍無(wú)一不面臨循環(huán)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)破壞，同時(shí)還受到化學(xué)腐蝕、成本高、材料資源有限等限制。

對(duì)于中性電池而言，主要包括金屬離子電池，尤其是鋰離子和鈉離子電池。這類(lèi)新興電池技術(shù)目前仍處于基礎(chǔ)研究階段，負(fù)極材料仍有待克服電解液酸堿度波動(dòng)的不穩(wěn)定性問(wèn)題。

新材料有何優(yōu)勢(shì)？

針對(duì)水系電池負(fù)極材料面臨的上述問(wèn)題，姚彥課題組提出了以有機(jī)醌類(lèi)化合物作為適用于各種水系電池的通用負(fù)極材料。據(jù)記者了解，在此之前，姚彥課題組在過(guò)去幾年里一直從事安全和低成本的新型能源存儲(chǔ)材料研究，此次項(xiàng)目的研發(fā)，他們和美國(guó)西北大學(xué)以及加州大學(xué)圣地亞哥分校都進(jìn)行了合作。

“在以電動(dòng)汽車(chē)和電網(wǎng)儲(chǔ)能為代表的大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域，安全和廉價(jià)的水系電池具有極大的優(yōu)勢(shì)，但有限的壽命卻限制了它的廣泛應(yīng)用。如今，由于醌類(lèi)有機(jī)負(fù)極材料的發(fā)現(xiàn)，使各類(lèi)水系電池突破了壽命的瓶頸，從某種意義上說(shuō)，這對(duì)電池行業(yè)各類(lèi)產(chǎn)品的升級(jí)改造具有重要意義。”梁衍亮表示。

姚彥強(qiáng)調(diào)，他們使用的醌類(lèi)有機(jī)材料遠(yuǎn)低于通常的電極材料價(jià)格（醌的成本只有2美元/公斤），且不含有害重金屬元素，對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染。除此之外，該材料還具有比容量高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，用該材料制成的新型水系鋰離子電池壽命是傳統(tǒng)鉛酸電池的10倍，充電時(shí)間也僅需20分鐘，可替代鉛酸電池用于汽車(chē)啟停電池、風(fēng)光電儲(chǔ)能、低速電動(dòng)車(chē)等新能源領(lǐng)域。又由于新材料具備良好的寬溫性能，即便是寒冷的天氣也不會(huì)影響其性能。

據(jù)了解，醌類(lèi)是具有1，2-苯醌或1，4-苯醌結(jié)構(gòu)的有機(jī)化合物，在充放電過(guò)程中能發(fā)生化學(xué)和結(jié)構(gòu)上高度可逆的離子配位反應(yīng)。由于醌類(lèi)的電位可調(diào)節(jié)、化學(xué)穩(wěn)定性好、反應(yīng)速率快、對(duì)離子選擇廣泛，它們能在任意酸堿度、多種載流離子、大溫度范圍、各種氣氛下穩(wěn)定工作，并與任何成熟的正極材料搭配，組成穩(wěn)定的醌基水系電池。

姚彥表示，這種有機(jī)材料在酸性電池和堿性電池中都有穩(wěn)定的化學(xué)性能，包括汽車(chē)使用的動(dòng)力電池以及新興的水性金屬離子電池。這意味著基于醌的負(fù)極在未來(lái)的任何技術(shù)中都能發(fā)揮巨大的作用。

據(jù)梁衍亮介紹，對(duì)于酸性電池，醌類(lèi)在成本上緊追以廉價(jià)聞名的鉛，更因其在循環(huán)壽命和快速充電性能上的大幅提升，可以使酸性電池的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展到大規(guī)模的儲(chǔ)能行業(yè)。對(duì)于中性電池，醌類(lèi)因?yàn)橥瑫r(shí)對(duì)氧氣和堿穩(wěn)定而使制作高能且安全的水系鋰/鈉/鎂離子電池成為可能，向該類(lèi)電池的實(shí)用化邁出了一大步。醌類(lèi)對(duì)堿性電池的穩(wěn)定性和低溫性能等方面的提升有著重要意義，但目前在能量密度上僅達(dá)到酸性電池的水平，與商品堿性電池存在差距。“與使用現(xiàn)有負(fù)極的水系電池相比，醌基電池的能量和功率指標(biāo)都毫不遜色，甚至在成本、低溫性能、過(guò)充性能等方面更勝一籌，堪稱(chēng)水系電池發(fā)展的一大突破?！绷貉芰吝M(jìn)一步表示。

由此可見(jiàn)，以有機(jī)醌類(lèi)化合物作為水系電池的負(fù)極材料的共同優(yōu)勢(shì)是：性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉。而借助更優(yōu)化的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和正極材料搭配，其電池比能量還有望取得超過(guò)成倍的提高。

此外，據(jù)姚彥介紹，新型水系鋰還可以簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝，無(wú)需干燥間，大大降低了生產(chǎn)成本。除了性能、成本、壽命方面的優(yōu)勢(shì)外，該新型水系鋰離子電池還利于回收。由于水系離子電池采用中性鹽水電解液，生產(chǎn)、使用、回收的全過(guò)程無(wú)污染，使用過(guò)的材料還可回收二次使用，同時(shí)其具有可擴(kuò)展性，其采用模塊化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，從單元到組合應(yīng)用，規(guī)模不限，為國(guó)家推動(dòng)建立分布式微電網(wǎng)從源頭上提供了技術(shù)支撐。

姚彥透露，正在研發(fā)的第二代水系鋰離子電池具有更高的能量密度，目前該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)申請(qǐng)了多個(gè)國(guó)際專(zhuān)利，希望加快從技術(shù)向產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化進(jìn)程。endprint