水系鋰電池關鍵技術突破!能量密度超過 300 Wh/kg,重點是「不會爆炸」

水系鋰電池
鋰電池示意圖,非文中所述水系鋰電池。

鋰電池具有重量輕,能量密度高的特性,是手機、電腦、電動車的電池首選,然而鋰電池容易燃燒、爆炸,具有安全性的風險。不管是前幾年的三星 Note 7 爆炸或是近期的特斯拉自燃,都凸顯了鋰電池的安全性疑慮。

相較於傳統鋰電池,水系鋰電池的穩定性更高,更安全。在最新的研究中,馬里蘭大學化學與生物分子工程系的教授王春生,他的團隊成功開發出能量密度高達 304Wh/kg 的水系鋰電池,與目前的商用鋰電池相當,未來可望商用化,解決傳統鋰電池的痛點。

這項研究 被登在《自然》期刊上

有機鋰電池的安全性威脅:熱失控

目前廣泛使用的鋰電池屬於有機鋰電池,但它們的電解液是易燃的有機溶液,在高溫環境下容易燃燒、爆炸。熱失控是電池的安全性威脅,電池在內部短路、大電流充放電、過充等情況下都會產生大量熱量,產生燃燒、爆炸的風險。

若提高鋰電池的能量密度,將提升熱失控的可能性,這是鋰電池的發展瓶頸。

水系鋰電池的限制:電壓與能量密度低

而水系鋰電池則可避免熱失控的風險。該鋰電池的電解質不是有機溶液,而是不可燃的水溶液,因此更安全。此外,水系鋰電池的成本更低、汙染更小,效率也比傳統的有機鋰電池要好。

但是鋰電池有能量密度低的缺點。由於純水的電解電壓低(1.23 V),因此穩定工作電壓難以突破 2 V,但我們日常使用的電池通常需要 3 到 4 V 的工作電壓,因此水系鋰電池的電壓與能量密度無法達到要求。

科學家開發新電解液與正極材料,提升水系鋰電池的能量密度

然而,2015 年,王春生的團隊和美國陸軍實驗室合作開發了「water-in-salt」高電壓窗口系電解液(簡稱 WiSE),把電池的氧化還原電位提升到 3V 左右,讓水系鋰電池達到商用的門檻;在 2017 年,王春生團隊把電位提升到 4V 以上。

接下來,王春生的團隊近一步優化鋰電池的正極材料與配置,提升能量密度。目前鋰電池最常用的正極材料是過渡金屬氧化物,但能量密度低;另一種是依賴硫、氧等陰離子變價的轉換反應的正極,它們能量密度高,卻缺乏固定的結構,因此可逆性較差,降低電池壽命。

而王春生的團隊則在正極材料中使用鹵素元素(例如溴、氯),電位更高,並使用石墨固定氧化後的活性物質。這種方法就結合了兩種傳統正極材料的優點,既利用了鹵素元素氧化還原的高電壓,又利用它們易於可逆地插入/脫出石墨層間的特性,提高了穩定性。

因此,水系鋰電池的能量密度提升為 304Wh/kg,和目前商用鋰電池的能量密度相當。

除了水系鋰電池,固態電池也是研究方向

但目前該水系鋰電池的研究還在實驗階段,尚無法量產商用,但仍為未來的鋰電池開啟了新可能。隨著電動車的發展,電池的研究更加重要,特別是高能量密度與高安全性的兼顧。除了水系鋰電池,固態電池也是近年的研究方向。

王春生認為,有機鋰電池無法兼顧安全性與能量密度,發展已到瓶頸,而水系鋰電池與固態電池是未來的希望;但有機鋰電池的穩定性已非常成熟,水系鋰電池與固態電池卻仍有技術難題要克服。若這些技術難題突破了,未來我們將擁有安全又強力的電池。

參考資料來源:
1.《Nature》:〈Aqueous Li-ion battery enabled by halogen conversion–intercalation chemistry in graphite
2.《Science》:〈New generation of lithium-ion batteries could hold more charge—without catching fire
3.《DeepTech 深科技》:〈 水系锂电池获关键突破,能量密度超 300Wh/kg,或成电池发展的未来
(本文提供合作夥伴轉載。首圖來源:flickr CC Licensed)

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