研究人员制造可存储六倍电量的可充电电池

由斯坦福大学领导的一个国际研究小组开发了可充电电池，其可储存的电量是目前市售电池的 6 倍。8 月 25 日发表在《自然》杂志上的一篇新论文中详细介绍了这一进展，它可以加速可充电电池的使用，并使电池研究人员更接近于实现其领域的两个最高目标：创造一种高性能的可充电电池，它可以使手机每周只需充电一次，而无需充电即可行驶六倍的日常和电动汽车。

由斯坦福大学化学教授戴宏杰和博士研究生朱冠洲领导的研究小组开发的所谓碱金属氯电池，依赖于氯化钠(Na/Cl 2)或氯化钠的来回化学转化。氯化锂(Li/Cl 2 ) 到氯。

当电子从可充电电池的一侧移动到另一侧时，充电会将化学物质恢复到其原始状态以等待再次使用。不可充电电池没有这样的运气。一旦排干，它们的化学作用就无法恢复。

“可充电电池有点像摇椅。它会朝一个方向倾斜，但当你加电时又会摇摆不定，”戴解释说。“我们这里有一把高摇椅。”

意外发现

至今还没有人研制出高性能可充电钠-氯或锂-氯电池的原因是氯的反应性太强，难以高效地转化回氯化物。在少数其他人能够实现一定程度的可充电性的情况下，电池性能被证明很差。

事实上，戴和朱根本没有打算制造可充电的钠和锂氯电池，而只是为了使用亚硫酰氯改进现有的电池技术。这种化学物质是锂亚硫酰氯电池的主要成分之一，锂亚硫酰氯电池是 1970 年代首次发明的一种流行的一次性电池。

但在他们早期的一项涉及氯和氯化钠的实验中，斯坦福大学的研究人员注意到，一种化学物质向另一种化学物质的转化以某种方式稳定下来，从而产生了一些可充电性。“我不认为这是可能的，”戴说。“我们至少花了一年时间才真正意识到发生了什么。”

在接下来的几年里，该团队阐明了可逆化学物质，并通过对电池正极的许多不同材料进行试验，寻找提高其效率的方法。当他们使用来自国立中正大学的合作者李元耀教授和他的学生戴洪俊教授的先进多孔碳材料形成电极时，取得了重大突破。碳材料具有纳米球结构，充满许多超细孔。在实践中，这些空心球就像一块海绵，吸收了大量原本敏感的氯分子，并将它们储存起来，以便稍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保护，”朱解释说。“然后，当电池需要排空或放电时，我们可以将电池放电并将氯转化为 NaCl——食盐——并在多次循环中重复这个过程。我们目前最多可以循环 200 次，但仍有改进的空间.”

结果是朝着电池设计的黄铜环迈进了一步——高能量密度。迄今为止，研究人员已经实现了每克正极材料 1,200 毫安时，而如今商用锂离子电池的容量高达每克 200 毫安时。“我们的容量至少高出六倍，”朱说。

研究人员设想他们的电池有一天会用于频繁充电不切实际或不可取的情况，例如卫星或远程传感器。许多其他可用的卫星现在都漂浮在轨道上，由于电池没电而过时了。配备长寿命可充电电池的未来卫星可以配备太阳能充电器，从而多次扩展其实用性。

不过就目前而言，他们开发的工作原型可能仍适用于小型日常电子产品，如助听器或遥控器。对于消费电子产品或电动汽车，在设计电池结构、增加能量密度、扩大电池规模和增加循环次数方面还有很多工作要做。

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