“盐水”让锂离子电池更安全

锂离子电池广泛应用于笔记本电脑、手机等便携式电子设备，给我们的日常生活带来了极大的便利，但其安全性问题也一直被很多人所担忧。近日，来自美国的一项研究指出，一种特殊的“盐水”有望提高锂离子电池的安全性。

锂离子电池之所以有时会发生爆炸等安全性问题，是因为电池通常使用易燃的有机溶剂作为电解质。使用水溶液代替有机溶剂不仅能大大降低电解质的易燃性，而且对环境也更加友好。但一个难以克服的问题在于：在锂离子电池通常的工作电压下，水很容易被电解为氢气和氧气，这反而使得电池更加危险，即便极少量的氢气也会严重影响电池的性能。

由来自美国马里兰大学王春生教授和美国陆军研究实验室徐康博士两位华人学者领导的研究小组尝试了新的思路。他们将一种锂的离子化合物——双三氟甲烷磺酰亚胺锂以极高的浓度溶于水，得到了一种独特的“盐水”。由于溶液中锂盐的体积和质量分数都高于水，这种“盐水”实际上应该视为水溶于锂盐中形成的溶液。这种溶液的导电能力与常规有机溶剂电解质相当，而可燃性要大大低于后者。在电池使用过程中，溶液中的锂盐会先于水发生电解，电解产物会沉积在电极上形成保护层，防止水的电解的发生，而导电能力不会受到影响。类似的保护层在使用非水电解质的电池中很常见，但因为基于水溶液的电解质电解产物是氢气和氧气，通常很难形成固态保护层，而这项新的研究巧妙地解决了这个问题。

进一步的实验表明，利用这种新型电解质构建的锂离子电池有着良好的性能。因此，通过这种方法，锂离子电池的安全性能有望得到显著改善。

编译：嵌段共聚物

锂电池中撒点盐，能量密度加3倍！浙大校友新研究亮了

曹原 发自 副驾寺

智能车参考|公众号AI4Auto

在锂电池中加盐，可以把能量密度提高三倍！

这个简单朴实甚至带点民科味道的结论，是美国劳伦斯伯克利国家实验室的最新研究成果。

研究人员发现，使用

多年一直依赖价高且资源稀少镍和钴的锂离子电池，迎来了更加可持续的突破口。

而且值得一提的是，这项新研究的领头人，还是一位本科学成于浙大化学系的华人科学家——Chen Guoying。

在电池阴极材料中来点盐

这种无序岩盐 英文名称是Disordered rock salt，是普通食盐的近亲，在地壳中很常见。

△一种岩盐

根据研究，使用无序岩盐再加上一些其他过渡金属，可以完全取代一般三元锂电池阴极材料常用的镍和钴元素。

也就是完全不用镍和钴，无序岩盐+锰依旧能合成动力电池的阴极。

并且，无序岩盐还可以将电池的能量密度增加三倍 ，提供更长的续航里程。

同时研究人员还发现，无序岩盐拥有很高的组成灵活性 ，使用任何一种过渡金属都能合成可用的电池阴极，比如锰或者钛，能显著降低电池原材料价格。

众所周知，三元锂电池是当下动力电池的主流类型之一。并且因为能量密度高、热稳定性好，经常被选用高端车型的标配。

其中的钴离子有助于维持阴极氧化物的稳定性，抑制锂镍混排现象，保证电池寿命；镍离子有助于提升能量密度，对于锂电池来说都是关键的组成元素。

那么，为什么要研究新的材料来替代这两种元素？

无序岩盐给出的新选择

需要寻找镍和钴的替代材料，最重要的还是因为两种元素在未来会进入短缺状态 。

一般来说，三元锂电池阴极主要由镍钴锰三种元素组成，镍和钴元素的占比通常在70%以上。

△三元电池阴极材料结构，来源：EER

而随着电动汽车市场的不断扩张，三元锂电池需求增长，进而导致对镍、钴元素的需求量猛增。

标普全球最近的一份报告显示，电动汽车的销量从2023年到2027年将翻一番，达到3160万辆，预计到时候钴和镍都会出现短缺。

伍德麦肯兹也曾在去年预测，如果新的采矿项目不见成效，到2030年钴需求将短缺超过15% 。

但同时又因为钴和镍在电池材料中的重要性，在真正面临短缺之前，最好先找一些替代。

研究人员们认为，无序岩盐 就是非常好的替代材料。

从结构上来说，无序岩盐的晶体结构是立方而非层状，因此不需要钴元素来保持稳定性。

△右边为DRX阴极结构，来源：伯克利实验室

同时，立方的晶体结构又能允许锂离子在三个维度中自由移动，从而可以容纳更多的锂离子，提供更高的能量密度，代替了镍元素的作用。

研究人员也把这种无序岩盐材料称为富锂阴极材料。

而为了更好地研究这种材料，研究人员们还成立了一个无序岩盐联盟。

研究团队简介

联盟在2022年10月成立，由劳伦斯伯克利国家实验室主导。

主要负责人有两位，分别是伯克利实验室电池组研究科学家Chen Guoying 和Gerbrand Ceder ，同时Ceder也在加州大学伯克利分校担任材料科学与工程系教授。

Chen Guoying本科就读于浙江大学化学专业，1994年毕业后，先后在中国科学院上海有机化学研究所、宾夕法尼亚大学完成有机化学专业硕士和化学专业博士学位。

2002年，Chen Guoying开始在伯克利实验室工作，研究方向为提高锂离子电池的能量密度、循环寿命和安全性，已经在材料化学一流期刊上发布论文超66篇，总被引数达到7668次。

Gerbrand Ceder则是著名锂电大牛，属于世界顶级材料计算专家。

Gerbrand Ceder本科就读于比利时鲁汶大学冶金和应用材料科学专业，毕业后直接读博，1991年在加州大学伯克利分校获得材料科学博士学位。

他曾在麻省理工学院担任材料科学与工程学院教授，后回到加州大学伯克利分校，研究方向包括能源存储（包括锂离子电池、钠离子电池、全固态电池等）、数据挖掘、高通量计算等。

Gerbrand Ceder已经在Nature、Science等顶级期刊上发表论文超过500篇，被引次数超过11.5万次 。

目前，无序岩盐联盟成员遍布各个国家实验室和大学，不同团队分别研究计算模型，不断改进化学成分，并开发最适合无序岩盐阴极的电解质。

联盟已经获得美国能源部车辆技术办公室提供的2000万美元（约1.46亿元）资金，目标在未来五年内推出电池级无序岩盐阴极材料，最终实现商业化。

Chen Guoying表示，现在研究的最大挑战是提高无序岩盐阴极材料的循环寿命，目标是达到数千次以上。

等到无序岩盐阴极材料推出，性能高、寿命长、价格低的新型锂电池无疑在电池市场上非常有竞争力。

参考链接：

https://spectrum.ieee.org/lithium-ion-battery-2665763170

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