香港利用护肤霜成分制电解质 制成不易燃且安全的水系锂离子电池

据外媒报道,中国香港中文大学(The Chinese University of Hong Kong,CUHK)工程系的一个研究小组在水系锂离子电池中引入了一种新型电解质,进而在改善高能量电池方面取得了重要进展。此种电解质通常用于护肤霜,价格便宜、不易燃、毒性小、对环境友好,还能产生稳定电压,供日常使用。

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(图片来源:香港中文大学)

手机、笔记本电脑,甚至电动汽车等电子设备和电子产品在很多方面改善了我们的日常生活,而它们都使用了锂离子电池。由于锂离子电池可以充电且能稳定地输出能量,因而成为了此类产品的核心。尽管经过多年研究,锂离子电池仍需要依赖有毒且易燃的有机电解质来发电,其具有的严重安全隐患仍然没有得到解决,三星智能手机爆炸、波音飞机电池起火、电动汽车电池着火等新闻也不断出现,表明了锂离子电池的安全性还没有得到保证。

根据之前对水系锂离子电池的研究,该团队将“分子聚集”(molecular crowding)引入了新型水系电解质中,取代了将锂离子盐作为主要稳定剂的方法。

“分子聚集”是活体细胞中的常见现象,描述了当大分子(蛋白质、复合糖、多糖等)或小型亲水分子(代谢物、渗透物)达到一定浓度时,溶液分子的性质会发生实质性的改变。由于环境拥挤,水溶剂的活性会因为水的氢键结构的变化而降低。

该团队选择使用聚(乙二醇)或PEG,在电解质中复制“分子聚集”现象。PEG是一种可溶于水的聚合物,可以轻易地与水系电池结合,也是护肤霜和个人润滑用品的基础,甚至可用作牙膏和食品饮料中的消泡剂。

采用此种新型稳定剂,一个LiMn2O4阴极和一个Li4Ti5O12阳极,该团队成功将水系电解质的稳定窗口扩大至3.2V,并演示了此种新型电解质在300多次充放电循环中,能够让电池能量密度高达75至100Wh/kg,且可稳定工作;采用凝胶涂层,就可将电池的工作电压进一步提高至4.0V以上,水系锂离子电池中常见的副作用(氢/氧演化反应)几乎都被消除。研究人员还进行了可燃性试验,验证了该款新型电解质的防火性能,显著提高了锂离子电池的安全性。

研究人员表示:“此种电解质可以使用很多水系电解质无法使用的电极材料。更重要的是,这一研究发现为设计电压窗口更大、稳定性更高的水系电解质提供了新平台,可实现安全、低成本且环保的储能设备。”

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