當前，鋰離子電池（Lithium-ionbatteries,LIB）廣泛應(yīng)用于從電動汽車到可穿戴設(shè)備的各種應(yīng)用。

在第二代鋰離子電池發(fā)明之前，研究人員在20世紀70年代開發(fā)出了第一代鋰-亞硫酰氯（lithium-thionylchloride,Li-SOCl_2）電池，其中使用SOCl_2作為陰極電解質(zhì)，鋰金屬（lithiummetal）作為陽極，無定形碳（amorphouscarbon）作為陰極。這種電池通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，斯坦福大學(xué)團隊開發(fā)了一種可充電的堿金屬-氯（alkalimetal-chlorine）電池，其可存儲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(guān)論文登上了《Nature》，共同一作是斯坦福大學(xué)化學(xué)系的博士生GuanzhouZhu和XinTian，通訊作者是斯坦福大學(xué)化學(xué)系教授戴宏杰（HongjieDai）。

據(jù)介紹，這種堿金屬-氯電池可以加速可充電電池的使用，并讓電池研究人員更進一步接近實現(xiàn)該領(lǐng)域的最高目標：開發(fā)一種高性能的可充電電池，使得手機可以每周一充而不再每天充電，電池汽車在一次充電時實現(xiàn)當前電動車6倍的行駛距離。

從實現(xiàn)角度來講，這種堿金屬-氯電池依賴氯化鈉（sodiumchloride,Na/Cl_2）或氯化鋰（lithiumchloride,Li/Cl_2）向氯的反復(fù)化學(xué)轉(zhuǎn)化。

一次偶然的發(fā)現(xiàn)契機

至今還沒有人研制出高性能可充電鈉-氯或鋰-氯電池的原因是氯的反應(yīng)性太強，難以高效地轉(zhuǎn)化回氯化物。在少數(shù)情況下，研究者可以實現(xiàn)可在充電性，但結(jié)果是電池的性能太差。

事實上，戴宏杰教授與GuanzhouZhu博士一開始根本沒有打算制造可充電的鈉和鋰-氯電池，而只是為了使用亞硫酰氯改進現(xiàn)有的電池技術(shù)。這種化學(xué)物質(zhì)是鋰亞硫酰氯電池的主要成分之一，鋰亞硫酰氯電池是1970年代首次發(fā)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，斯坦福大學(xué)的研究者注意到，一種化學(xué)物質(zhì)向另一種化學(xué)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化以某種方式穩(wěn)定下來，從而產(chǎn)生了一些可充電性。戴宏杰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。

在接下來的幾年里，該團隊闡明了可逆化學(xué)反應(yīng)，并通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。當他們使用來自中正大學(xué)的Yuan-YaoLi教授和他的學(xué)生Hung-ChunTai所研發(fā)的先進多孔碳材料形成電極時，在這一技術(shù)的支持下取得了重大突破。碳材料具有納米球結(jié)構(gòu)，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，并將它們儲存起來，以便以后在微孔內(nèi)轉(zhuǎn)化為鹽。

當電池充電時，氯分子被困在碳納米球的微孔中并受到保護，Zhu解釋說。然后，當電池需要排空或放電時，我們可以將電池放電并將氯轉(zhuǎn)化為NaCl——食鹽的主要成分——可以多次循環(huán)重復(fù)這個過程。目前最多可以循環(huán)200次，但仍有改進的空間。

其結(jié)果是向電池黃銅環(huán)設(shè)計——高能量密度邁出了一步。到目前為止，研究者已經(jīng)實現(xiàn)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。

斯坦福大學(xué)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(shè)想他們的電池有一天會用于那些以前沒有用到的地方，例如衛(wèi)星或遠程傳感器。許多可用的衛(wèi)星現(xiàn)在都漂浮在軌道上，由于電池耗盡而無法工作。未來，如果衛(wèi)星配備了長壽命可充電電池，可以安裝太陽能充電器，那么衛(wèi)星的用途將擴大許多倍。對于消費電子產(chǎn)品或電動汽車來說，在設(shè)計電池結(jié)構(gòu)、增加能量密度、擴大電池規(guī)模和增加循環(huán)次數(shù)方面還有很多工作要做。

新型電池技術(shù)的神秘面紗

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(zhì)，由包含氟化物添加劑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(chǎn)可充電的Na/Cl_2或Li/Cl_2電池，主要通過碳微孔中的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通過氧化還原在正極側(cè)提供可充電性，薄的堿金屬-氟化物摻雜的堿金屬-氯化物固體電解質(zhì)界面穩(wěn)定負極，兩者對二次堿金屬/Cl_2電池至關(guān)重要。

對于使用的氯化鈉（Na/Cl_2）電池，其中無定形碳納米球（amorphouscarbonnanospheres,aCNS）作為陰極，SOCl_2中的氯化鋁（AlCl_3）作為起始電解質(zhì)中的主要成分。該電池在工作/循環(huán)放電電壓為3.5V，容量最高達1,200mAhg?^1的情況下工作/循環(huán)超過200次，庫倫效率（Coulombicefficiency）和能量效率（energyefficiency）分別為99%和90%以上。

下圖1為無定形納米球（約60nm，1a）和首次放電時的高性能氯化鈉（Na/Cl_2）電池。

當電池第一次放電后再充電時，Na沉積在Na電極上，NaCl沉積在aCNS電極上被氧化（約3.83V）（圖2a）形成Cl_2，存在于aCNS電極中的大量孔隙中（擴展數(shù)據(jù)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(1,860mAhg^-1)時的循環(huán)性能。

下圖4展示了在Na/Cl_2和Li/Cl_2電池中，穩(wěn)定的SEI對鈉陽極和aCNS陰極的重要性。機器之心