电化学专家许康南科大讲堂精彩解析锂电池问题,美国华人科学家研制新型锂离子电池

中国日报网9月8日电
综合外媒9月7日报道,美国华人科学家6日发表研究论文称,他们研制出一种基于水基电解液的新型锂离子电池,可以消除目前普遍困扰人们的锂离子电池爆炸风险。

2017年9月22日下午,来自美国陆军研究所的许康教授做客第122期南科大讲堂,在图书馆111报告厅为我校师生带来了题为Interfacing
Electrolytes to
Electrodes的精彩讲座。我校材料科学与工程系主任程鑫主持讲堂。

该论文发表在6日出版的最新一期美国《焦耳》杂志上,由在美国马里兰大学的王春生教授、杨重寅博士以及美国陆军研究实验室资深化学家许康等合作完成。

威尼斯官网 1报告会现场

英国广播公司(BBC)网站报道称,这种锂离子电池储存的能量完全可以满足家用电器的需求,而且即使用硬物反复撞击都不会起火或爆炸。

许康教授长期从事电化学储能装置材料及鉴定方面的研究。曾发表160篇以上论文,并且拥有20多项美国授权专利并获得许多重要奖项。

论文作者之一许康表示:“在过去,如果想制造高能量锂电池,就必须选择非水电解质电池,但这样一来电池的安全性就会打折扣,如果你更看重安全性,就必须使用水电解质电池,比如镍金属氢化物电池。现在,我们的研究表明新型锂电池既可以拥有高能量,又具有高安全性。”

威尼斯官网 2许康作报告

2015年时,该团队曾研制成功一款水电解质电池,但其储存的能量仅有3伏级,此次研发的新型锂电池达到了4伏级。杨重寅等研究人员表示,这是第一次实现水基电解液的4伏级电池,从原理上说是很重大的基础性突破。

威尼斯官网,讲座开始,许康教授介绍了电化学电池研究的重要性。许康教授从简单的专有名词入手,引出了锂电池与电解液问题。随后,许康教授介绍道,锂因其质量轻,能量密度大,电负性强的性质,甚至被称为无法被超越的阴极材料。许康谈到,锂电池历史上曾经采用主客体结构,而电解液广泛使用非水相电解液。他讲述了科学家在环状碳酸乙烯酯及聚乙烯酯对比中发现EC完美支持锂离子与石墨结合的故事。

他们解释说,传统商用化锂离子电池使用极易燃的有机电解液,安全隐患严重。而用不可燃的水基电解液替换有机电解液的问题在于,前者电化学稳定窗口一般小于2伏,一旦电极电压超过这个数字,电解液就失去稳定,因此能量密度受限。

非水相电解液尽管电压高,但有有毒、怕水、能量密度越高越易燃等缺点。许康教授介绍他的研究小组对水基锂离子电池的研究过程。他提到,研究的关键在于避免石墨电极直接接触水基电解液中的水分子而导致还原产氢。为此,他们开发出一种疏水性能强的胶体保护层材料,均匀包覆在电极表面,有效防止了水分解副反应导致的电极失效。而与此同时,在最初的充放电循环中,保护层中的特定组分在负极表面会形成固体电解液界面层,钝化了负极表面,同时可在局部破损情况下自我修复,保证了电池的长期稳定性。许康教授坦言,他们的研究已经将电化学窗口扩展到4V,进一步接近了传统的非水相电池。

最新研究的关键在于避免锂金属或石墨电极直接接触水基电解液中的水分子而导致还原产氢。为此,他们开发出一种非常疏水的胶体保护层材料,均匀包覆在电极表面,有效防止了水分解副反应导致的电极失效。

讲座最后,许康鼓励在场师生要挑战不可能,不要迷信专家对未来的预测。他还仔细地为老师及同学们解答了疑问。

更关键的是,他们发现,在最初的充放电循环中,保护层中特定组分在负极表面原位形成更为致密疏水的固体电解液界面层,进一步钝化了负极表面,并且这一固体界面层可在局部破损情况下自我修复,保证了电池的长期稳定性。

文字:学生新闻社 张沛然

不过,许康表示,他们的研究成果还需要进一步完善,才能最终实现商业化生产。

图片:李唐

(译者:崔美琴 编辑:严玉洁)

 

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