东京大学开发出用水作电解液的锂离子电池

2016-09-010阅读0

  东京大学2016年8月29日宣布,通过与日本科学技术振兴机构(JST)、日本物质材料研究机构(NIMS)的合作研究,发现了基于“水”的新型锂离子导电性液体“常温溶融水合物”(hydrate melt)。使用常温溶融水合物电解液的锂离子电池能够使蓄电池的能量密度和安全性摆脱过去此消彼长的关系,以高水平得到兼顾。

  

按照一定比例混合2种锂盐后,只需加入少量的水即可液化,形成常温溶融水合物。 (图片摘自东京大学的发布资料)

  研究人员发现,将水与特定的两种锂盐以一定的比例混合,通常呈固态的锂盐二水合物在常温下会以稳定液体(常温溶融水合物)的状态存在。一般的水溶液在外加1.2V左右的电压后,会电解为氧气和氢气,而这种常温溶融水合物即使外加3V以上的高电压也不会分解,耐电性堪比一般的有机溶剂。

  

使用常温溶融水合物作为电解液的(a)3.1V级和(b)2.4V级锂离子电池的充放电行为 (图片摘自东京大学的发布资料)

  使用超级计算机“京”,通过第一性原理分子动力学计算进行分析的结果显示,常温溶融水合物在所有水分子与锂离子配位的状态下为液体,形成了一般水溶液实现不了的溶液结构。常温溶融水合物具备异常出色的高电压耐性和优秀的锂离子输运特性,能够作为锂离子电池的电解液使用。

  

使用常温溶融水合物作为电解液的锂离子电池的电压、容量和能量密度

  使用一般水溶液只能达到电压在2V以下,能量密度为100Wh/kg,而使用常温溶融水合物作为电解液时,电压可达2.4~3.1V,能量密度远远超过100Wh/kg,能够实现与使用有机电解液的市售锂离子电池相同的水平(图片摘自东京大学的发布资料)

  作为验证概念的模型,研究人员成功完成3.1V级(LiNi0.5Mn1.5O4正极-Li4Ti5O12负极)和2.4V级(LiCoO2正极-Li4Ti5O12负极)锂离子电池的可逆运行,证明其能够达到与使用有机溶剂的商用锂离子电池(2.4~3.7V)相同的水平。其能量密度也超过市售的2.4V级锂离子电池的水平,能够实现不到6分钟的超高速充放电,远远超过了市售的锂离子电池。

  使用特殊有机溶剂是现有锂离子电池面临的一个课题。这种电解液不仅极易燃烧,有可能酿成火灾、爆炸等事故,而且还具有毒性,一旦发生事故等引发泄露,有可能危害人体和环境。因此,能够使用不燃、无害、低价的水替代可燃、有毒、昂贵的有机溶剂,构建高度安全的电解液系统,有望使生产成本从根本上得到改善。

  今后,研究人员还将继续探索常温溶融水合物表现出的异常特性的原因,并开拓新功能,找出使用常温溶融水合物电解液的新型蓄电池装置的实用化课题并着手进行开发,还计划探索功能更强的常温溶融水合物材料。此次的研究成果已于2016年8月26日在《NatureEnergy》的网络版上刊登。(特约撰稿人:工藤宗介)

  (全文完)