電池新風向

陳秀娟

醌類有機負極材料的發現，突破了水系電池的壽命瓶頸，對電池行業各類產品的升級改造具有重要意義。

動力電池作為能量儲存裝置，是電動汽車的核心部件。其性能的優劣直接影響電動汽車的市場應用和普通消費者的接受度。而當下，電動汽車電池著火的事件時有發生，這反映出當下動力電池存在著一定的安全隱患。對比而言，當下市場上的鉛酸電池和鎳氫電池等水系電池使用水作為電解液，具有低成本、安全、不會燃燒等優點，但其缺點也很明顯——循環壽命短，只有300次左右，無法滿足電動汽車5000次以上循環壽命的儲能需求。

那么，有沒有一種既安全且長壽命的電化學儲能來解決這一問題？

近日，由美國休斯頓大學德州超導中心教授姚彥帶領的團隊利用廉價的有機材料制備出的新型水系鋰離子電池，則很好地解決了這一難題。那么，這種新型的水系鋰離子電池相比傳統的水系電池有哪些優勢？

傳統負極材料短板

據姚彥課題組成員梁衍亮博士介紹，對當下市面上的各種水系電池來說，其壽命的短板幾乎都歸結于這些水電池組成部件中的負極材料?！澳壳坝糜谒惦姵氐呢摌O材料或多或少地存在著結構和化學穩定性的問題。尤其是電流流過的部分，這意味著，一段時間之后，電池的容量會衰減，導致其壽命短?！绷貉芰琳f道。

具體說來，當下的水系電池主要可以分為酸性電池、堿性電池、中性電池三大類，由這三大類水系電池的負極材料產生的問題不可忽視。

對于酸性電池而言，以鉛酸電池為代表。經過超過150年的發展，金屬鉛仍然是目前唯一能用于酸性電池的負極材料。但是，金屬鉛除了有毒之外，還會在深度充放電的過程中發生“硫酸鹽化”而形成電荷無法穿透的鈍化層，導致循環壽命一般只在300多。這種深充放場合目前多見于電動自行車，這種需要一年一換的電池顯然難以大面積應用。

對于堿性電池而言，涵蓋了鎳鐵、鎳鎘、鎳氫和鎳鋅等電池。在堿性電池100多年的演變史中，正極材料始終固定為性能優越的氫氧化鎳，而負極材料經過了鐵、鎘、儲氫合金和鋅等多代更迭后，仍無一不面臨循環過程中的結構破壞，同時還受到化學腐蝕、成本高、材料資源有限等限制。

對于中性電池而言，主要包括金屬離子電池，尤其是鋰離子和鈉離子電池。這類新興電池技術目前仍處于基礎研究階段，負極材料仍有待克服電解液酸堿度波動的不穩定性問題。

新材料有何優勢？

針對水系電池負極材料面臨的上述問題，姚彥課題組提出了以有機醌類化合物作為適用于各種水系電池的通用負極材料。據記者了解，在此之前，姚彥課題組在過去幾年里一直從事安全和低成本的新型能源存儲材料研究，此次項目的研發，他們和美國西北大學以及加州大學圣地亞哥分校都進行了合作。

“在以電動汽車和電網儲能為代表的大規模儲能領域，安全和廉價的水系電池具有極大的優勢，但有限的壽命卻限制了它的廣泛應用。如今，由于醌類有機負極材料的發現，使各類水系電池突破了壽命的瓶頸，從某種意義上說，這對電池行業各類產品的升級改造具有重要意義。”梁衍亮表示。

姚彥強調，他們使用的醌類有機材料遠低于通常的電極材料價格（醌的成本只有2美元/公斤），且不含有害重金屬元素，對環境沒有污染。除此之外，該材料還具有比容量高、壽命長等優點，用該材料制成的新型水系鋰離子電池壽命是傳統鉛酸電池的10倍，充電時間也僅需20分鐘，可替代鉛酸電池用于汽車啟停電池、風光電儲能、低速電動車等新能源領域。又由于新材料具備良好的寬溫性能，即便是寒冷的天氣也不會影響其性能。

據了解，醌類是具有1，2-苯醌或1，4-苯醌結構的有機化合物，在充放電過程中能發生化學和結構上高度可逆的離子配位反應。由于醌類的電位可調節、化學穩定性好、反應速率快、對離子選擇廣泛，它們能在任意酸堿度、多種載流離子、大溫度范圍、各種氣氛下穩定工作，并與任何成熟的正極材料搭配，組成穩定的醌基水系電池。

姚彥表示，這種有機材料在酸性電池和堿性電池中都有穩定的化學性能，包括汽車使用的動力電池以及新興的水性金屬離子電池。這意味著基于醌的負極在未來的任何技術中都能發揮巨大的作用。

據梁衍亮介紹，對于酸性電池，醌類在成本上緊追以廉價聞名的鉛，更因其在循環壽命和快速充電性能上的大幅提升，可以使酸性電池的應用領域擴展到大規模的儲能行業。對于中性電池，醌類因為同時對氧氣和堿穩定而使制作高能且安全的水系鋰/鈉/鎂離子電池成為可能，向該類電池的實用化邁出了一大步。醌類對堿性電池的穩定性和低溫性能等方面的提升有著重要意義，但目前在能量密度上僅達到酸性電池的水平，與商品堿性電池存在差距?！芭c使用現有負極的水系電池相比，醌基電池的能量和功率指標都毫不遜色，甚至在成本、低溫性能、過充性能等方面更勝一籌，堪稱水系電池發展的一大突破。”梁衍亮進一步表示。

由此可見，以有機醌類化合物作為水系電池的負極材料的共同優勢是：性能穩定、價格低廉。而借助更優化的分子結構設計和正極材料搭配，其電池比能量還有望取得超過成倍的提高。

此外，據姚彥介紹，新型水系鋰還可以簡化生產工藝，無需干燥間，大大降低了生產成本。除了性能、成本、壽命方面的優勢外，該新型水系鋰離子電池還利于回收。由于水系離子電池采用中性鹽水電解液，生產、使用、回收的全過程無污染，使用過的材料還可回收二次使用，同時其具有可擴展性，其采用模塊化產品設計，從單元到組合應用，規模不限，為國家推動建立分布式微電網從源頭上提供了技術支撐。

姚彥透露，正在研發的第二代水系鋰離子電池具有更高的能量密度，目前該團隊已經申請了多個國際專利，希望加快從技術向產品的轉化進程。endprint