東京大學(xué)開發(fā)出用水作電解液的鋰離子電池

東京大學(xué)2016年8月29日宣布，通過與日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)(JST)、日本物質(zhì)材料研究機(jī)構(gòu)(NIMS)的合作研究，發(fā)現(xiàn)了基于“水”的新型鋰離子導(dǎo)電性液體“常溫溶融水合物”(hydrate melt)。使用常溫溶融水合物電解液的鋰離子電池能夠使蓄電池的能量密度和安全性擺脫過去此消彼長(zhǎng)的關(guān)系，以高水平得到兼顧。

研究人員發(fā)現(xiàn)，將水與特定的兩種鋰鹽以一定的比例混合，通常呈固態(tài)的鋰鹽二水合物在常溫下會(huì)以穩(wěn)定液體(常溫溶融水合物)的狀態(tài)存在。一般的水溶液在外加1.2V左右的電壓后，會(huì)電解為氧氣和氫氣，而這種常溫溶融水合物即使外加3V以上的高電壓也不會(huì)分解，耐電性堪比一般的有機(jī)溶劑。

使用超級(jí)計(jì)算機(jī)“京”，通過第一性原理分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算進(jìn)行分析的結(jié)果顯示，常溫溶融水合物在所有水分子與鋰離子配位的狀態(tài)下為液體，形成了一般水溶液實(shí)現(xiàn)不了的溶液結(jié)構(gòu)。常溫溶融水合物具備異常出色的高電壓耐性和優(yōu)秀的鋰離子輸運(yùn)特性，能夠作為鋰離子電池的電解液使用。

作為驗(yàn)證概念的模型，研究人員成功完成3.1V級(jí)(LiNi0.5Mn1.5O4正極-Li4Ti5O12負(fù)極)和2.4V級(jí)(LiCoO2正極-Li4Ti5O12負(fù)極)鋰離子電池的可逆運(yùn)行，證明其能夠達(dá)到與使用有機(jī)溶劑的商用鋰離子電池(2.4～3.7V)相同的水平。其能量密度也超過市售的2.4V級(jí)鋰離子電池的水平，能夠?qū)崿F(xiàn)不到6分鐘的超高速充放電，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了市售的鋰離子電池。

使用特殊有機(jī)溶劑是現(xiàn)有鋰離子電池面臨的一個(gè)課題。這種電解液不僅極易燃燒，有可能釀成火災(zāi)、爆炸等事故，而且還具有毒性，一旦發(fā)生事故等引發(fā)泄露，有可能危害人體和環(huán)境。因此，能夠使用不燃、無害、低價(jià)的水替代可燃、有毒、昂貴的有機(jī)溶劑，構(gòu)建高度安全的電解液系統(tǒng)，有望使生產(chǎn)成本從根本上得到改善。

今后，研究人員還將繼續(xù)探索常溫溶融水合物表現(xiàn)出的異常特性的原因，并開拓新功能，找出使用常溫溶融水合物電解液的新型蓄電池裝置的實(shí)用化課題并著手進(jìn)行開發(fā)，還計(jì)劃探索功能更強(qiáng)的常溫溶融水合物材料。此次的研究成果已于2016年8月26日在《NatureEnergy》的網(wǎng)絡(luò)版上刊登。