38一下 today: 美軍團隊開發水溶液鋰電池,保證不會發生 Note 7 爆炸事故

2017年9月16日 星期六

美軍團隊開發水溶液鋰電池,保證不會發生 Note 7 爆炸事故



在過去,想使用能量密度高的鋰離子電池,就須選擇以有機溶劑當電解液的類型,跟「不安全」妥協;或是退而求其次,使用有防火特性、但不活躍的水溶液電解液(如以鎳或其他金屬氫化物為電解質),安全但能量密度較低。

現在,美國陸軍研究實驗室(US Army Research Laboratory,縮寫 ARL)與馬里蘭大學團隊再次合作,繼 2015 年於《科學》期刊發表一款電壓可達 3V 的水溶液鋰電池後,再度將該電池的性能提升到新境界。

當年研究礙於電池電壓無法達到智慧型手機的規格(只能提供 3V 電壓,但智慧型手機需要 4V),且鹽水電解液在使用過程中不斷腐蝕電極而宣布作罷,團隊在當時將其稱為「陰極挑戰」(cathodic challenge)。

經過 2 年修正,馬里蘭州大學助理研究科學家楊崇英(Chongyin Yang)這次設計出一種可保護陽極(石墨或鋰金屬)的凝膠聚合物,終於讓水溶液鋰電池的性能從 3V 飛躍到 4V。馬里蘭大學化學與生物分子工程教授王春生(Chunsheng Wang)教授說,「這項技術的關鍵就在於製造出可以阻止水和電極產生降解反應的物質。」

研究人員將這種新開發的凝膠聚合物塗覆在陽極上,隔離靠近電極表面的水分子,且當電池第一次充電時,它會分解並形成一個永久隔離水分子的界面,將陽極與電解液永遠分開,保護陽極不受任何副作用損害。

水溶液電解質比有機溶劑安全,不過若電池外觀損壞,仍有引起火災和爆炸的風險,而該電池最獨特之處,在於爆炸風險降至最低,就算將電池外殼刺穿,凝膠隔離層依然能防止鋰和電解液反應,進而避免發生爆炸事故。團隊也在以下影片實驗,就算拿釘子穿破外殼,電壓也沒有發生劇烈變化。

不過,水溶液電解質並非完全沒有缺點,它的充放循環次數相當低,僅 70 多次,就算是新開發的水溶液鋰電池也只有 50~100 次。研究團隊認為,至少要將電池的壽命提升至充放循環 500 次,才能在市場上與有機溶劑鋰電池一爭高下。軍方電化學和材料科學專家 Kang Xu 表示,如果資金充足,大約 5 年內可以準備商業化。

許多科學家都認為,我們隨身攜帶的行動裝置若可以改用水溶液電池會更安全,如今開發成功的水溶液鋰電池也開啟了電化學領域的廣泛應用,包括鈉離子電池、鋰硫電池等,甚至對科學家尚未深入研究的電鍍技術和電化學合成也有幫助。這項研究已發表在《Joule》雜誌。

(首圖來源:美國陸軍研究實驗室) 

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