手机一周一充纷歧是梦：「食盐」电池登上Nature，电量达锂电池六倍

呆板之心报道

编辑：杜伟、陈萍

氯化钠，电池技能的止境竟是云云一般的物质？

当前，锂离子电池（Lithium-ion batteries, LIB）遍及应用于从电动汽车到可穿着设置装备摆设的种种应用。

在第二代锂离子电池发明之前，研究职员在 20 世纪 70 年月开辟出了第一代锂 - 亚硫酰氯（lithium-thionyl chloride, Li-SOCl_2）电池，此中利用 SOCl_2 作为阴极电解质，锂金属（lithium metal）作为阳极，无定形碳（amorphous carbon）作为阴极。这种电池通过锂氧化和阴极电解液还原为硫、二氧化硫和氯化锂放电，以其高能量密度而有名。

图源 itdcw。

在克日的一项研究中，斯坦福大学团队开辟了一种可充电的碱金属 - 氯（alkali metal-chlorine）电池，其可存储的电量是当前市售常见可充电锂离子（lithium-ion）电池的 6 倍。

该研究相干论文登上了《Nature》，配合一作是斯坦福大学化学系的博士生 Guanzhou Zhu 和 Xin Tian，通讯作者是斯坦福大学化学系传授戴宏杰（Hongjie Dai）。

据先容，这种碱金属 - 氯电池可以加快可充电电池的利用，并让电池研究职员更进一步靠近实现该范畴的最高目的：开辟一种高性能的可充电电池，使得手机可以每周一充而不再每天充电，电池汽车在一次充电时实现当前电动车 6 倍的行驶间隔。

论文地点：http://www.nature.com/articles/s41586-021-03757-z

从实现角度来讲，这种碱金属 - 氯电池依靠氯化钠（sodium chloride, Na/Cl_2）或氯化锂（lithium chloride, Li/Cl_2）向氯的重复化学转化。

一次无意偶尔的发觉契机

至今还没有人研制出高性能可充电钠 - 氯或锂 - 氯电池的缘故原由是氯的反响性太强，难以高效地转化回氯化物。在少数情形下，研究者可以实现可在充电性，但效果是电池的性能太差。

究竟上，戴宏杰传授与 Guanzhou Zhu 博士一开始基础没有计划制造可充电的钠和锂 - 氯电池，而只是为了利用亚硫酰氯革新现有的电池技能。这种化学物质是锂亚硫酰氯电池的重要身分之一，锂亚硫酰氯电池是 1970 年月初次发明的一种盛行的一次性电池。

但在他们早期的一项涉及氯和氯化钠的试验中，斯坦福大学的研究者细致到，一种化学物质向另一种化学物质的转化以某种方法稳健下来，从而孕育发生了一些可充电性。戴宏杰传授以为这是不行能的，他们花了至少一年的时间才意识到这件事的紧张性。

在接下来的几年里，该团队分析了可逆化学反响，并通过对电池正极的差别质料举行试验，查找进步其服从的要领。当他们利用来自中正直学的 Yuan-Yao Li 传授和他的门生 Hung-Chun Tai 所研发的先辈多孔碳质料形成电极时，在这一技能的支持下取得了庞大突破。碳质料具有纳米球布局，满盈很多超细孔。在实践中，这些空心球就像一块海绵，汲取了大量本来敏感的氯分子，并将它们储存起来，以便今后在微孔内转化为盐。

当电池充电时，氯分子被困在碳纳米球的微孔中并受到爱护，Zhu 解说说。然后，当电池必要排空或放电时，我们可以将电池放电并将氯转化为 NaCl——食盐的重要身分——可以多次轮回重复这个历程。现在最多可以轮回 200 次，但仍有革新的空间。

其效果是向电池黄铜环设计——高能量密度迈出了一步。到现在为止，研究者已经实现了每克正极质料 1200 毫安时，而现在商用锂离子电池的容量在每克 200 毫安时。电池容量至少是锂离子电池的 6 倍。

斯坦福大学的研究职员没有提及电压。此前宁德期间提出的钠离子电池，其电芯能量密度是 160Wh/kg，电动车常用的磷酸铁锂电池容量在 140Wh/kg 左右。

研究者假想他们的电池有一天会用于那些曩昔没有效到的地方，比方卫星或长途传感器。很多可用的卫星如今都漂移在轨道上，因为电池耗尽而无法事情。将来，假如卫星配备了长命命可充电电池，可以安置太阳能充电器，那么卫星的用途将扩大很多倍。对付消耗电子产物或电动汽车来说，在设计电池布局、增添能量密度、扩大电池范围和增添轮回次数方面另有许多事情要做。

新型电池技能的神奇面纱

本文中研究者展示了电池的高微孔碳正极，一种肇始电解质，由包罗氟化物添加剂 SOCl_2 中的氯化铝构成，电池的负极由钠或锂构成。该研究可以生产可充电的 Na/Cl_2 或 Li/Cl_2 电池，重要通过碳微孔中的 Cl_2/Cl^- 氧化还原和钠或锂金属上的 Na/Na^+ 或 Li/Li^+ 氧化还原天生。微孔碳中可逆的 Cl_2/NaCl 或 Cl_2/LiCl 通过氧化还原在正极侧提供可充电性，薄的碱金属 - 氟化物掺杂的碱金属 - 氯化物固体电解质界面稳健负极，两者对二次碱金属 / Cl_2 电池至关紧张。

对付利用的氯化钠（Na/Cl_2）电池，此中无定形碳纳米球（amorphous carbon nanospheres, aCNS）作为阴极， SOCl_2 中的氯化铝（AlCl_3）作为肇始电解质中的重要身分。该电池在事情 / 轮回放电电压为 3.5 V，容量最高达 1,200 mAh g−^1 的情形下事情 / 轮回凌驾 200 次，库伦服从（Coulombic efficiency）和能量服从（energy efficiency）分别为 99% 和 90% 以上。

下图 1 为无定形纳米球（约 60nm，1a）和初次放电时的高性能氯化钠（Na/Cl_2）电池。

当电池第一次放电后再充电时，Na 沉积在 Na 电极上，NaCl 沉积在 aCNS 电极上被氧化（约 3.83 V）（图 2a）形成 Cl_2，存在于 aCNS 电极中的大量孔隙中（扩展数据表 1）。

如下图 3 所示，Na/Cl_2 电池在容量到达第一个较低放电平台容量 (1,860 mAh g^-1) 时的轮回性能。

下图 4 展示了在 Na/Cl_2 和 Li/Cl_2 电池中，稳健的 SEI 对钠阳极和 aCNS 阴极的紧张性。

作者简介

论文配合一作 Guanzhou Zhu 为斯坦福大学化学系博士生，本科结业于加州大学洛杉矶分校。研究范畴包罗开辟高容量和高能量密度电池、为差别的电池体系合成新型电极和电解质，以及利用差别的表征技能阐发电池事情与妨碍机制。

论文通讯作者戴宏杰，美国华人化学家与应用物理学家，斯坦福大学化学系传授。他在纳米管范畴是领武士物。本科结业于清华大学，硕士结业于哥伦比亚大学应用科学系，博士结业于哈佛大学应用物理系。之落伍入斯坦福大学历任助理传授和传授。

2009 年当选为美国文理科学院院士，2011 年当选为美国科学促进会会员，2016 年当选为美国国度科学院院士，2020 年 9 月入选 2020 年「引文桂冠奖」。

参考链接：

http://dailab.stanford.edu/

http://www.linkedin.com/in/guanzhouzhu/

http://news.stanford.edu/2021/08/25/researchers-make-alkali-metal-chlorine-batteries-rechargeable/