斯坦福大學團隊發(fā)明“超級”電池，儲電量是普通電池的六倍，手機一周僅充一次電即可持久續(xù)航

可用氯一鈉充電的LED等

近日，斯坦福大學團隊開發(fā)出一種“高儲能”可充電電池，手機每周僅充1次電即可長期續(xù)航，該研究成果有望解決智能手機幾乎每天都要充電的產(chǎn)品痛點。在電動車方面，電動汽車無需充電就可行駛?cè)粘＞嚯x的6倍。

這種“高儲能”可充電電池，本質(zhì)上屬于新型堿金屬氯電池，其原理主要通過氯化鈉或氯化鋰進行反復的可逆化學反應(yīng)。該電池之所以續(xù)航能力持久，是因為其儲存的電量為目前市場上的電池的6倍。

截至目前，市場上商用鋰離子電池容量為每克200毫安時，而該團隊研發(fā)的“超級”電池容量為每克1200毫安時，這為手機設(shè)備、電動車領(lǐng)域向更高的目標又邁進了一步。

相關(guān)論文以“Rechargeable Na/C12 and Li/C12 batteries”為題發(fā)表在Nature上。由美國斯坦福大學化學與生物交叉學科博士研究生朱冠洲擔任第一作者，教授戴宏杰擔任通訊作者。

相關(guān)論文

目前，市場上已經(jīng)有許多不同種類的可充電電池，包括鋰離子電池、鈉離子電池和鋁離子電池。由于初級鋰一亞硫酰氯電池具在儲能方面具有諸多優(yōu)勢，因此被廣泛應(yīng)用于專業(yè)電子、軍事、公用事業(yè)計量和GPS跟蹤等領(lǐng)域，但其缺陷也很明顯，即可充電性差。

然而，至今還沒有科學家開發(fā)出高性能、可充電的氯一鈉電池或鋰一氯電池，主要挑戰(zhàn)來自于氯的化學性質(zhì)太活躍、反應(yīng)性太強，很難生成高效氯化物。在少數(shù)情況下，其他能達到可充效果的電池續(xù)航能力較差。

“有心栽花花不開，無心插柳柳成蔭”，該團隊起初并沒有計劃開發(fā)一種可以充電的鈉一鋰氯電池，只是希望改善現(xiàn)有硫基氯化物電池的技術(shù)性能。硫基氯化物是氯化鋰電池的主要成分之一，早在20世紀70年代，就成為一種頗受人們青睞的一次性電池。

隨著時代的發(fā)展，具有低重量、小容量、低能量密度和小體積的電池，越來越不能滿足社會對儲能不斷增長的需求。

傳統(tǒng)的電池通過鋰陽極氧化和陰極電解液亞硫酰氯還原為硫（SOC12）、二氧化硫和氯離子（Cl-）進行一次放電。Cl-與從鋰負極剝離的Li+反應(yīng)，形成沉積在碳表面上的氯化鋰（LiCl），直至鈍化。

該團隊在早期涉及氯和氯化鈉的實驗中觀察到，一種化學物質(zhì)與另一種化學物質(zhì)之間的置換可以某種形式穩(wěn)定下來，這些被穩(wěn)定下來的物質(zhì)具有可充電性。戴宏杰表示：“我認為這是不可能的，之后我們用了一年多的時間才真正研究清楚里面的化學反應(yīng)。”

Na/Cl2電池的第一次放電原理

如今，鈉電池已經(jīng)被積極尋求作為鋰電池的替代品，科學界認為，低標準鈉電極電位、高能量密度電池具有廣闊的應(yīng)用前景。該研究成果報告了使用無定形碳納米球（aCNS）和SOCl2中的三氯化鋁（AlCl3）分別為陰極和陽極起始電解質(zhì)，這是鈉一氯電池中的主要成分。

該電池可在3.5V放電電壓和高達1200mAh容量下循環(huán)運行超過200次，庫侖效率和能量效率分別大于99%和90%。該電池第一次放電時，容量可達到越2800mAh，平均放電電壓接近于3.2V。出乎該團隊意料的是，該電池可以在1200mAh的比容量下可逆循環(huán)，在放電電壓約為3.55V下，平均庫侖效率大于99%。

該團隊構(gòu)建了一個使用金屬鈉作為負極的電池，并在鎳泡沫中使用聚四氟乙烯粘合劑包裝aCNS作為紐扣電池中的正極。

在后面的幾年里，該團隊嘗試用不同的材料提高電池正極的反應(yīng)效率，其中最大的進展是與中國臺灣中正大學合作研究的多孔碳材料形成電極。該碳材料的納米球結(jié)構(gòu)有許多超微小的毛孔，就像海綿一樣，能產(chǎn)生大量的其他接觸性氯分子，并儲存起來，在之后的反應(yīng)過程中可生成鹽。

如今，鈉電池已經(jīng)被積極尋求作為鋰電池的替代品，科學界認為，低標準鈉電極電位、高能量密度電池具有廣闊的應(yīng)用前景。該研究成果報告了使用無定形碳納米球（aCNS）和SOCl2中的三氯化鋁（AlCl3）分別為陰極和陽極起始電解質(zhì)，這是鈉-氯電池中的主要成分。

鈉電極在電池中循環(huán)后的SEM圖像

該電池可在3.5V放電電壓和高達1200mAh容量下循環(huán)運行超過200次，庫侖效率和能量效率分別大于99%和90%。該電池第一次放電時，容量可達到越2800mAh，平均放電電壓接近于3.2V。出乎該團隊意料的是，該電池可以在1200mAh的比容量下可逆循環(huán)，在放電電壓約為3.55V下，平均庫侖效率大于99%。

該團隊構(gòu)建了一個使用金屬鈉作為負極的電池，并在鎳（Ni）泡沫中使用聚四氟乙烯（PTFE）粘合劑包裝aCNS作為紐扣電池中的正極。

在后面的幾年里，該團隊嘗試用不同的材料提高電池正極的反應(yīng)效率，其中最大的進展是與中國臺灣中正大學合作研究的多孔碳材料形成電極。該碳材料的納米球結(jié)構(gòu)有許多超微小的毛孔，就像海綿一樣，能產(chǎn)生大量的其他接觸性氯分子，并儲存起來，在之后的反應(yīng)過程中可生成鹽。（綜合整理報道）（編輯/克珂）