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美国陆军研究实验室水基锂离子电池取得突破性进展
2019-06-03


【据美国陆军研究实验室网站2019年5月报道】美国陆军研究实验室和马里兰大学的研究人员合作研发出一种新型正极,由卤素-石墨插层化合物制成,完全不含过渡金属,能够以高电位(≈4.2 V)可逆地储存锂离子。这是水基锂离子电池技术的一大突破性进展,有望为士兵提供一种安全高效的锂离子电池,显着减轻电池重量。此项研究发表在新一期的《自然》杂志上。

研究人员利用石墨中卤素阴离子(Br??和Cl??)的氧化还原反应,将无水LiBr、LiCl与石墨按质量比为2:1:2混合,合成一种复合正极(LiBr)0.5(LiCl)0.5C~3.7(LBC-G)。高浓度盐水电解质(WiSE)将部分水合LiBr/LiCl限制在固体基体中,将其氧化后插入石墨基质,形成致密填充的石墨层间化合物。这一新的转换-插层化学机制同时具备了转换反应的高能量和拓扑插层的优良可逆性。新型复合正极的容量为240mAh/g,而常用于手机、笔记本电脑的LiCoO2正极的容量仅为120-140mAh/g。

研究人员将该新型正极与锂离子电池盐水电解质(WiSE)和石墨负极,组装成4V水基锂离子全电池,测试表明,该电池的能量密度为460Wh/kg,库伦效率为100%,可实现150次稳定的充放电循环。该新型电池的能量密度比普通手机电池高出25%,性能与当前最先进的有机溶液锂离子电池相当,证明了不含过渡金属和有机溶剂的锂离子电池同样能实现高能量密度且具有优异的循环稳定性。

新电池采用低成本安全的石墨复合电极材料,代替传统的价格高昂且具有毒性的钴、镍电极,提升了电池的平均电压,实现了更高的能量密度,具有更高的安全性,能够为士兵提供高密度、安全、可靠的能源,具有强大的抗机械滥用性,显著提高士兵的机动性和杀伤力,减轻后勤负担。除了士兵用的便携式电池,这种电池还有望用于飞机、舰艇、航天飞船的非易燃电池,以及民用便携式电子产品、电动汽车和大型电网存储等领域。(北方科技信息研究所 王冉)

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