美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室（ARL）和馬里蘭大學(xué)的研究人員首次開(kāi)發(fā)出使用水鹽溶液作為電解質(zhì)的鋰離子電池，可以達(dá)到家用電子設(shè)備（如筆記本電腦）所需的4.0伏特，而且不具有某些市售的非水溶液鋰離子電池所具有的起火和爆炸危險(xiǎn)。

這是一種同時(shí)具有高能量密度和高安全性的水溶液電解質(zhì)鋰離子電池，不用擔(dān)心有任何起火或爆炸的危險(xiǎn)。讓我們一起來(lái)看看它的作用機(jī)理是什么吧！

美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室（ARL）和馬里蘭大學(xué)的研究人員首次開(kāi)發(fā)出使用水鹽溶液作為電解質(zhì)的鋰離子電池，可以達(dá)到家用電子設(shè)備（如筆記本電腦）所需的4.0伏特，而且不具有某些市售的非水溶液鋰離子電池所具有的起火和爆炸危險(xiǎn)。

據(jù)專攻電化學(xué)和材料科學(xué)的ARL研究員，同時(shí)也是這項(xiàng)研究的主要作者KangXu博士稱，這種技術(shù)將為士兵提供一種完全安全和靈活的鋰離子電池，具有與SOA鋰離子電池相同的能量密度。即使是在嚴(yán)重的機(jī)械濫用情況下，該電池仍然沒(méi)有起火和爆炸的危險(xiǎn)。

Xu說(shuō)：“在這之前，如果你想要高的能量，你可以選擇一種非水溶液鋰離子電池，但是你必須在安全方面妥協(xié)，而如果你想要安全的話，你可以使用鎳/金屬氫化物等水性電池，但是你必須忍受更低的能量?，F(xiàn)在，我們向您承諾，您可以同時(shí)獲得高能量和高安全性。”

在這項(xiàng)研究之前，有一篇2015年發(fā)表在Science上的文章，其中介紹了一種類似的水溶液電解質(zhì)3.0伏特電池，但由于所謂的“陰極挑戰(zhàn)”而無(wú)法獲得更高的電壓，即電池中由石墨或金屬鋰制成的陽(yáng)極會(huì)被水性電解質(zhì)降解。為了解決這個(gè)問(wèn)題，并從三伏跳躍到四伏，第一作者，馬里蘭大學(xué)副研究員ChongyinYang設(shè)計(jì)了一種可涂覆在石墨或鋰陽(yáng)極上的新型凝膠聚合物電解質(zhì)涂層。

這種疏水涂層在電極表面附近排除水分子，然后在第一次充電時(shí)分解并形成穩(wěn)定的界面，這個(gè)界面其實(shí)就是分解產(chǎn)物形成的薄層，可以將固體陽(yáng)極與液體電解質(zhì)分隔開(kāi)，保護(hù)陽(yáng)極免受副作用的腐蝕，從而允許電池使用所需的陽(yáng)極材料，例如石墨或金屬鋰，并獲得更好的能量密度和循環(huán)能力。

合作作者之一，馬里蘭大學(xué)A.JamesClark工程學(xué)院化學(xué)和生物分子工程系ChunshengWang教授說(shuō)：“這里的關(guān)鍵創(chuàng)新點(diǎn)是制造出一種合適的凝膠，能夠鎖住與陽(yáng)極接觸的水，使水不分解，并且可以形成一層界面，以保證電池的性能。”與標(biāo)準(zhǔn)的非水性鋰離子電池相比，添加凝膠涂層也可以提高新電池的安全優(yōu)勢(shì)，并且與任何其他已有的含水鋰離子電池相比，能量密度更高。所有含水鋰離子電池都受益于水性電解質(zhì)的易燃性，而非水性電解液中使用的有機(jī)溶劑更是高度易燃。然而，不同的是，即使界面層被損壞（例如，電池外殼被刺穿），它與鋰或鋰化石墨陽(yáng)極的反應(yīng)也很緩慢，從而可以防止當(dāng)金屬與電解液直接接觸時(shí)起煙、起火甚至爆炸。

雖然這種新電池的功率和能量密度目前僅適用于由更危險(xiǎn)的非水電池供電的商業(yè)應(yīng)用，但某些改進(jìn)將使其更具競(jìng)爭(zhēng)力。特別是，研究人員希望增加電池可以完成的全部性能循環(huán)次數(shù)，并盡量減少材料費(fèi)用。Wang說(shuō)：“現(xiàn)在我們討論的是50-100個(gè)循環(huán)，但是與有機(jī)電解質(zhì)電池相比，我們想使其達(dá)到500以上?！?br/>
研究人員還提到，跳躍到四伏特之后的電化學(xué)操作在電池技術(shù)中很重要。Xu說(shuō)：“這是首次實(shí)現(xiàn)反應(yīng)性石墨和金屬鋰陽(yáng)極在水性介質(zhì)中的穩(wěn)定。這開(kāi)啟了許多不同的電化學(xué)課題，包括鈉離子電池，鋰硫電池，涉及鋅和鎂的多離子化學(xué)物質(zhì)，甚至是電鍍和電化學(xué)合成；我們還沒(méi)有充分進(jìn)行探索?！?br/>
Xu表示，界面化學(xué)在實(shí)現(xiàn)商業(yè)化之前仍需要進(jìn)一步完善，而且需要做更多的工作來(lái)擴(kuò)大大型電池的測(cè)試技術(shù)。在資金充足的條件下，4伏的化學(xué)物質(zhì)可以在大約五年內(nèi)進(jìn)入商業(yè)化。