護膚霜是鋰離子電池中不可燃電解質的特殊成分

2021-02-12 IEEE電氣電子工程師

鋰離子電池已被證明是最可靠的儲能技術之一。不幸的是，它有一個相當明顯的致命弱點：作為一種非水電解質，相當易燃，因此會造成嚴重的火災危險。

特斯拉汽車電池起火的故事，據美國聯邦航空管理局（Federal Aviation Administration）估計，每10天就有一次鋰離子電池起火導致航班停飛 -- 這些都證明了這種危險已經成為一個多麼嚴重的問題。

香港中文大學的研究人員在徹底解決這一問題上邁出了很大的一步，開發出了一種不易燃、生態友好、成本低廉的水電解質，它基於一種護膚霜成分，與以前的水基電解質不同，它仍然能提供高能量密度。

香港中文大學領導這項研究的Yi-Chun Lu教授解釋說：「如果要徹底消除電池著火問題，使用水基電解液是最有效的策略。當我們開發我們的項目時，我們的目標是開發一種水基電解液，既能提供高電壓，又能保持低成本，並保持環境友好。」

在下面的視頻中，你可以看到水電解液是如何產生的，以及它與目前鋰離子電池中使用的電解液相比是如何不易燃的。

非水電解質普遍存在於當今的鋰離子電池中，原因很簡單：它們提供高能量密度（每千克100-400瓦時）。作為非水電解質的替代品，研究人員已經開始在水電解質中使用高濃度的鹽來嘗試達到非水電解質的能量密度。然而，這些高鹽的水電解質會產生一種毒性很強的電池化學物質，並且需要生產一種相對昂貴的電池。

Yi-Chun Lu說：「雖然水性電解質已經使用多年，但現有的提高水電池的電池電壓的方法往往需要使用大量昂貴且有毒的鋰離子鹽來穩定水分子，這就提出了成本、毒性和環境可持續發展的問題。」

在尋找解決這個問題的方法時，Yi-Chun Lu的團隊在之前對水基鋰離子電池研究的基礎上，將 "分子擁擠 "引入到新型水基電解液中，取代鋰離子鹽作為主要穩定劑。

在他們發表在《自然材料》雜誌上的研究中，Yi-Chun Lu和她的團隊使用了一種常用於護膚霜中的聚合物。PEG是一種水溶性聚合物，可以很容易地融入到水基電池中。它也是許多護膚霜和個人潤滑劑的基礎，甚至還被用於牙膏中，以及食品和飲料中的消泡劑。

使用這種新型穩定劑、LiMn2O4正極和Li4Ti5O12陽極，該團隊成功地將水電解液的穩定窗口擴大到3.2伏，並演示了使用這種新型電解液在300次循環中提供75-100Wh/kg的高能量密度的穩定電池運行；使用凝膠塗層可進一步提高到4.0伏以上的工作電壓。水鋰離子電池中常見的副反應(氫/氧演化反應)基本消除了。並進行了可燃性試驗，證明了該新型電解液的防火特性，大大提高了鋰離子電池的安全性。

測試電解液與更多電極材料的相容性是當前研究的重點，也是將技術從實驗室原型連接到商業生產的工程挑戰之一。研究人員還將增加電池充電和放電的次數（稱為循環）從300次增加到500次，同時提高電解液的電壓窗口。

在技術商業化方面，該團隊尚未與商業電池製造商合作開發原型電池，但他們目前正在尋求產業合作夥伴。與此同時，他們已經申請了美國的電解液專利。

Yi-Chun Lu教授說："這種電解液可以使用許多傳統水電解液中無法使用的電極材料。更重要的是，這一研究發現為設計一種具有大電壓窗口和高穩定性的水電解液提供了一個新的平臺，可實現安全、低成本、環保儲能的安全、低成本、環保儲能。"

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