什么是水性鋰離子電池，水性鋰離子電池研究

什么是水性鋰離子電池，水性鋰離子電池研究。馬里蘭大學(xué)和美國陸軍研究實驗室的研究人員首次開發(fā)了一種使用水鹽溶液作為電解質(zhì)的鋰離子電池，達到家用電子設(shè)備(例如筆記本電腦)所需的4.0伏特標準，而且沒有與一些市售的非水性鋰離子電池相關(guān)的火災(zāi)和爆炸危險。他們的工作出現(xiàn)在9月6日在焦耳。

“過去，如果你想要高能量的話，你會選擇一種非水電鋰離子電池，但是你必須在安全方面妥協(xié)，你可以使用鎳氫/金屬氫化物等水性電池，但是你必須為更低的能源定居。”聯(lián)合資深作者康旭說，美國陸軍研究實驗室的研究員，專門從事電化學(xué)和材料科學(xué)。“現(xiàn)在，我們正在表明，您可以同時獲得高能耗和高安全性。”

研究是在科學(xué)研究的2015年研究之后，產(chǎn)生了一種類似3.0伏的電解質(zhì)電解質(zhì)，但是通過所謂的“陰極挑戰(zhàn)”阻止了更高的電壓，其中電池的一端由石墨或鋰制成金屬，被水性電解質(zhì)降解。為了解決這個問題，從三伏飛躍到四伏，馬里蘭州大學(xué)助理研究科學(xué)家楊楊楊第一作者設(shè)計了一種可應(yīng)用于石墨或鋰陽極的新型凝膠聚合物電解質(zhì)涂層。

該疏水涂層從電極表面附近排出水分子，然后在第一次充電時，分解并形成穩(wěn)定的相間分離固體陽極與液體電解質(zhì)的分解產(chǎn)物的薄混合物。這種由非水電池中產(chǎn)生的層引發(fā)的相間隔保護了陽極免于副反應(yīng)的衰弱，從而允許電池使用所需的陽極材料，例如石墨或鋰金屬，并獲得更好的能量密度和循環(huán)能力。

聯(lián)合資深作者王春生教授說：“這里的關(guān)鍵創(chuàng)新就在于制造出能夠阻止與陽極接觸的水，使水不分解，也可形成正確的界面，以支持高電池性能。”馬里蘭大學(xué)的A.JamesClark工程學(xué)院的化學(xué)與生物分子工程。

與標準非水性鋰離子電池相比，添加凝膠涂層也可提高新電池的安全優(yōu)勢，并且與任何其他提出的水溶性鋰離子電池相比，提高了能量密度。所有含水鋰離子電池都受益于水性電解質(zhì)的易燃性，而非水性電解質(zhì)中使用的高度易燃的有機溶劑。然而，獨特的是，即使相間層損壞(例如，如果電池外殼被刺穿)，它也會與鋰或鋰化石墨陽極反應(yīng)緩慢，從而防止其他情況下的吸煙，火災(zāi)或爆炸如果損壞的電池使金屬與電解液直接接觸。

雖然新電池的功率和能量密度適用于目前由更危險的非水電池服務(wù)的商業(yè)應(yīng)用，但某些改進將使其更具競爭力。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)，并盡可能減少材料費用。王先生說：“現(xiàn)在我們談?wù)摰氖?0-100個周期，但是與有機電解質(zhì)電池相比，我們想要達到500個以上。”

研究人員還注意到跳躍到四伏特之后的電化學(xué)操作在電池技術(shù)之外也是重要的。徐先生說：“這是我們第一次能夠在水性介質(zhì)中穩(wěn)定真正的反應(yīng)性陽極，如石墨和鋰。”這開啟了電化學(xué)領(lǐng)域的許多不同話題的廣泛窗口，包括鈉離子電池，鋰硫電池，涉及鋅和鎂的多種離子化學(xué)物質(zhì)，甚至電鍍和電化學(xué)合成;我們還沒有充分探索它們。

UNIST攜手能源與化學(xué)工程學(xué)院的研究小組已成功開發(fā)了世界上第一個可拉伸水性鋰離子電池，可為下一代可穿戴設(shè)備提供動力。

示意圖展示了整個制造過程中的序列

模仿自然功能的可伸縮電池材料，該研究領(lǐng)域當前的發(fā)展非常有趣，對于下一代可穿戴電子設(shè)備來說是必不可少的。UNIST最近的一項研究提出了一種生物發(fā)酵的Jabuticaba混合碳／聚合物（HCP）復(fù)合材料，該復(fù)合材料使用簡單且經(jīng)濟高效的溶解工藝開發(fā)出了可拉伸的集流體。研究小組首次將HCP復(fù)合材料用作可拉伸集電器，開發(fā)了一種基于水性電解質(zhì)的高度可拉伸的可充電鋰離子電池（ARLB）。

UNIST能源與化學(xué)工程學(xué)院的Soojin Park教授與Kwedong Seo教授和So Youn Kim教授共同領(lǐng)導(dǎo)了這一突破。可伸縮的電子設(shè)備由于其極大的靈活性而引起了科學(xué)界對下一代設(shè)備的極大關(guān)注。柔性電子產(chǎn)品的商業(yè)利潤和需求日益增長，促使人們在材料的變形過程中尋求具有高力學(xué)耐用性和高導(dǎo)電性的高度可拉伸電極。盡管已經(jīng)提出了許多用于這些電極的方法，但是它們都無法同時實現(xiàn)電極的高拉伸性并具有可擴展性的制造工藝。

Park教授使用導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料解決了這些問題，導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料由簡單溶解過程中所含有碳納米管和炭黑的Jabuticaba類混合碳填料所組成。這種結(jié)構(gòu)的形狀類似巴西grapetree Jabuticaba樹。該研究小組發(fā)現(xiàn)，即便是在高應(yīng)變率下，HCP復(fù)合材料也能有效地保持其電導(dǎo)率，即表示其適用于高度拉伸的水性鋰離子電池。Seo教授負責制造可拉伸集電器，他說：“我們的研究結(jié)果將增大具有電化學(xué)和力學(xué)性能的可拉伸納米復(fù)合材料數(shù)量，并且可將其用于各種應(yīng)用中。”

導(dǎo)電填料在復(fù)合材料內(nèi)的滲透行為詳細分析，可使用拉伸下的原位SAXS測量來完成，其揭示了填料中不同類型的碳會形成高度互連的共支撐網(wǎng)絡(luò)。So Youn Kim 教授領(lǐng)導(dǎo)了原位SAXS實驗。SAXS是測量聚合物基質(zhì)中納米填料行為的非常有用的技術(shù)。此外，該研究小組首次開發(fā)了可拉伸的ARLB作為可拉伸的電源，使用HCP復(fù)合材料作為可拉伸的集電器，即使在100％應(yīng)變下也能向LED提供穩(wěn)定的電力。So Youn Kim教授說：“這項研究有望優(yōu)化電化學(xué)和力學(xué)性能的可拉伸納米復(fù)合材料的設(shè)計，并可將其用于儲能裝置和可拉伸的電子器件。

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