可用氯一鈉充電的LED等

近日，斯坦福大學(xué)團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種“高儲(chǔ)能”可充電電池，手機(jī)每周僅充1次電即可長(zhǎng)期續(xù)航，該研究成果有望解決智能手機(jī)幾乎每天都要充電的產(chǎn)品痛點(diǎn)。在電動(dòng)車方面，電動(dòng)汽車無(wú)需充電就可行駛?cè)粘＞嚯x的6倍。

這種“高儲(chǔ)能”可充電電池，本質(zhì)上屬于新型堿金屬氯電池，其原理主要通過氯化鈉或氯化鋰進(jìn)行反復(fù)的可逆化學(xué)反應(yīng)。該電池之所以續(xù)航能力持久，是因?yàn)槠鋬?chǔ)存的電量為目前市場(chǎng)上的電池的6倍。

截至目前，市場(chǎng)上商用鋰離子電池容量為每克200毫安時(shí)，而該團(tuán)隊(duì)研發(fā)的“超級(jí)”電池容量為每克1200毫安時(shí)，這為手機(jī)設(shè)備、電動(dòng)車領(lǐng)域向更高的目標(biāo)又邁進(jìn)了一步。

相關(guān)論文以“Rechargeable Na/C12 and Li/C12 batteries”為題發(fā)表在Nature上。由美國(guó)斯坦福大學(xué)化學(xué)與生物交叉學(xué)科博士研究生朱冠洲擔(dān)任第一作者，教授戴宏杰擔(dān)任通訊作者。

相關(guān)論文

目前，市場(chǎng)上已經(jīng)有許多不同種類的可充電電池，包括鋰離子電池、鈉離子電池和鋁離子電池。由于初級(jí)鋰一亞硫酰氯電池具在儲(chǔ)能方面具有諸多優(yōu)勢(shì)，因此被廣泛應(yīng)用于專業(yè)電子、軍事、公用事業(yè)計(jì)量和GPS跟蹤等領(lǐng)域，但其缺陷也很明顯，即可充電性差。

然而，至今還沒有科學(xué)家開發(fā)出高性能、可充電的氯一鈉電池或鋰一氯電池，主要挑戰(zhàn)來(lái)自于氯的化學(xué)性質(zhì)太活躍、反應(yīng)性太強(qiáng)，很難生成高效氯化物。在少數(shù)情況下，其他能達(dá)到可充效果的電池續(xù)航能力較差。

“有心栽花花不開，無(wú)心插柳柳成蔭”，該團(tuán)隊(duì)起初并沒有計(jì)劃開發(fā)一種可以充電的鈉一鋰氯電池，只是希望改善現(xiàn)有硫基氯化物電池的技術(shù)性能。硫基氯化物是氯化鋰電池的主要成分之一，早在20世紀(jì)70年代，就成為一種頗受人們青睞的一次性電池。

隨著時(shí)代的發(fā)展，具有低重量、小容量、低能量密度和小體積的電池，越來(lái)越不能滿足社會(huì)對(duì)儲(chǔ)能不斷增長(zhǎng)的需求。

傳統(tǒng)的電池通過鋰陽(yáng)極氧化和陰極電解液亞硫酰氯還原為硫（SOC12）、二氧化硫和氯離子（Cl-）進(jìn)行一次放電。Cl-與從鋰負(fù)極剝離的Li+反應(yīng)，形成沉積在碳表面上的氯化鋰（LiCl），直至鈍化。

該團(tuán)隊(duì)在早期涉及氯和氯化鈉的實(shí)驗(yàn)中觀察到，一種化學(xué)物質(zhì)與另一種化學(xué)物質(zhì)之間的置換可以某種形式穩(wěn)定下來(lái)，這些被穩(wěn)定下來(lái)的物質(zhì)具有可充電性。戴宏杰表示：“我認(rèn)為這是不可能的，之后我們用了一年多的時(shí)間才真正研究清楚里面的化學(xué)反應(yīng)?！?p>

Na/Cl2電池的第一次放電原理

如今，鈉電池已經(jīng)被積極尋求作為鋰電池的替代品，科學(xué)界認(rèn)為，低標(biāo)準(zhǔn)鈉電極電位、高能量密度電池具有廣闊的應(yīng)用前景。該研究成果報(bào)告了使用無(wú)定形碳納米球（aCNS）和SOCl2中的三氯化鋁（AlCl3）分別為陰極和陽(yáng)極起始電解質(zhì)，這是鈉一氯電池中的主要成分。

該電池可在3.5V放電電壓和高達(dá)1200mAh容量下循環(huán)運(yùn)行超過200次，庫(kù)侖效率和能量效率分別大于99%和90%。該電池第一次放電時(shí)，容量可達(dá)到越2800mAh，平均放電電壓接近于3.2V。出乎該團(tuán)隊(duì)意料的是，該電池可以在1200mAh的比容量下可逆循環(huán)，在放電電壓約為3.55V下，平均庫(kù)侖效率大于99%。

該團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)使用金屬鈉作為負(fù)極的電池，并在鎳泡沫中使用聚四氟乙烯粘合劑包裝aCNS作為紐扣電池中的正極。

在后面的幾年里，該團(tuán)隊(duì)嘗試用不同的材料提高電池正極的反應(yīng)效率，其中最大的進(jìn)展是與中國(guó)臺(tái)灣中正大學(xué)合作研究的多孔碳材料形成電極。該碳材料的納米球結(jié)構(gòu)有許多超微小的毛孔，就像海綿一樣，能產(chǎn)生大量的其他接觸性氯分子，并儲(chǔ)存起來(lái)，在之后的反應(yīng)過程中可生成鹽。

如今，鈉電池已經(jīng)被積極尋求作為鋰電池的替代品，科學(xué)界認(rèn)為，低標(biāo)準(zhǔn)鈉電極電位、高能量密度電池具有廣闊的應(yīng)用前景。該研究成果報(bào)告了使用無(wú)定形碳納米球（aCNS）和SOCl2中的三氯化鋁（AlCl3）分別為陰極和陽(yáng)極起始電解質(zhì)，這是鈉-氯電池中的主要成分。

鈉電極在電池中循環(huán)后的SEM圖像

該電池可在3.5V放電電壓和高達(dá)1200mAh容量下循環(huán)運(yùn)行超過200次，庫(kù)侖效率和能量效率分別大于99%和90%。該電池第一次放電時(shí)，容量可達(dá)到越2800mAh，平均放電電壓接近于3.2V。出乎該團(tuán)隊(duì)意料的是，該電池可以在1200mAh的比容量下可逆循環(huán)，在放電電壓約為3.55V下，平均庫(kù)侖效率大于99%。

該團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)使用金屬鈉作為負(fù)極的電池，并在鎳（Ni）泡沫中使用聚四氟乙烯（PTFE）粘合劑包裝aCNS作為紐扣電池中的正極。

在后面的幾年里，該團(tuán)隊(duì)嘗試用不同的材料提高電池正極的反應(yīng)效率，其中最大的進(jìn)展是與中國(guó)臺(tái)灣中正大學(xué)合作研究的多孔碳材料形成電極。該碳材料的納米球結(jié)構(gòu)有許多超微小的毛孔，就像海綿一樣，能產(chǎn)生大量的其他接觸性氯分子，并儲(chǔ)存起來(lái)，在之后的反應(yīng)過程中可生成鹽。（綜合整理報(bào)道）（編輯/克珂）