從一次性到重復(fù)使用 新型海水電池有了超長(zhǎng)循環(huán)壽命

海南大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院副研究員楊金霖在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行海水電池測(cè)試。

受訪者供圖

海水電池是一種新型儲(chǔ)能技術(shù)，它以海水作為電解液，能夠有效降低電池生產(chǎn)成本，安全且具有可持續(xù)性，在海洋探測(cè)、水下通信和島礁供電等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用前景。但是，目前研制出的海水電池多為一次性電池，無(wú)法重復(fù)使用。

近日，海南大學(xué)田新龍和楊金霖“海洋清潔能源”創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)研制出了一種基于天然海水電解液的超長(zhǎng)循環(huán)壽命、可重復(fù)充電的氯離子電池。該成果實(shí)現(xiàn)了可逆陰離子存儲(chǔ)電極的技術(shù)突破，是對(duì)可持續(xù)水系電池的一次革新，可為深遠(yuǎn)海領(lǐng)域的電能儲(chǔ)備與供應(yīng)提供解決方案。相關(guān)研究論文發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)雜志》。

攻克氯離子可逆存儲(chǔ)技術(shù)難題

“我國(guó)海域遼闊，海水資源豐富，海水中含有各種溶解性陽(yáng)離子和陰離子，具有良好的離子導(dǎo)電性。如果能就地取材，使用天然海水作為電池的電解液，則可以解決電池的成本和安全性問(wèn)題。”海南大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院教授田新龍向記者介紹團(tuán)隊(duì)研發(fā)可充電海水電池的初衷。

“現(xiàn)有的海水電池多是一次性電池，無(wú)法重復(fù)使用，導(dǎo)致其在很多領(lǐng)域的應(yīng)用受限。這是因?yàn)橐淮涡院Ｋ姵厥褂玫碾姌O材料不具備可逆儲(chǔ)存氯離子的能力。”海南大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院副研究員楊金霖告訴記者。

海水電池要實(shí)現(xiàn)從“一次性”到“重復(fù)使用”，就必須解決氯離子可逆存儲(chǔ)電極這一難題。田新龍介紹，不同于常規(guī)電池基于鋰離子或鈉離子等陽(yáng)離子存儲(chǔ)，海水電池的工作原理是基于氯離子存儲(chǔ)，氯離子則屬于陰離子。傳統(tǒng)的電極材料，例如氧化物和硫化物，均無(wú)法實(shí)現(xiàn)陰離子包括氯離子的可逆存儲(chǔ)，因此無(wú)法應(yīng)用于可充電海水電池的開(kāi)發(fā)。

該研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)查閱文獻(xiàn)和高通量計(jì)算，篩選了10余種潛在的無(wú)機(jī)氯離子存儲(chǔ)材料，并嘗試合成其中7種，最終選定MXene這一新型二維材料作為電池儲(chǔ)氯電極。

“與傳統(tǒng)材料不同，MXene材料是一種具有高導(dǎo)電性的層狀材料。”楊金霖介紹。高導(dǎo)電性有助于離子和電子的快速傳輸，而穩(wěn)定的層狀結(jié)構(gòu)有利于氯離子在材料層間的可逆嵌入和脫出，可以提高電池的循環(huán)壽命。

團(tuán)隊(duì)研究人員發(fā)現(xiàn)，MXene材料具有一種可調(diào)控的表面官能團(tuán)——氯表面端基。此外，該材料的氯表面端基可以與海水中的氯離子形成共價(jià)相互作用。這種弱相互作用既可以使氯離子吸附于材料層間，又能夠讓其快速遷移，從而實(shí)現(xiàn)氯離子的可逆存儲(chǔ)。

破解更耐腐蝕電池器件材料之困

雖然解決了儲(chǔ)氯電極材料這一首要問(wèn)題，但海水中氯離子的腐蝕性仍待解決。

楊金霖告訴記者，團(tuán)隊(duì)在研究初期就發(fā)現(xiàn)，海水電池的充電電壓很低，循環(huán)壽命也達(dá)不到要求。通過(guò)逐步排除影響因素，研究人員最終發(fā)現(xiàn)，氯離子對(duì)電池殼體和集流體存在較強(qiáng)腐蝕性，是影響電池性能的主要原因。

針對(duì)這一問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)開(kāi)始投入設(shè)計(jì)更耐腐蝕的電池器件：用更耐氯離子腐蝕的碳紙和鈦箔代替?zhèn)鹘y(tǒng)的銅箔作為集流體;對(duì)電池的殼體進(jìn)行防腐蝕處理;對(duì)連接工藝進(jìn)行優(yōu)化。這些改進(jìn)措施有效降低了氯離子對(duì)電池的損害，提升了電池的整體性能和穩(wěn)定性。

“目前鋰離子電池最佳運(yùn)行溫度范圍在15攝氏度至35攝氏度，而我們開(kāi)發(fā)的海水電池具有寬溫工作能力，可以在零下20攝氏度至50攝氏度的溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定性能。”楊金霖介紹，過(guò)低或過(guò)高的環(huán)境溫度都會(huì)對(duì)電池性能的發(fā)揮帶來(lái)不利影響，甚至引發(fā)安全問(wèn)題。

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這種寬溫工作能力拓寬了電池的使用場(chǎng)景，使得電池可以用于需要在極端環(huán)境中使用的設(shè)備，例如電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能基站。面對(duì)夏日酷暑和冬日嚴(yán)寒，電池都能維持穩(wěn)定性能，保障設(shè)備持續(xù)運(yùn)行。

在實(shí)驗(yàn)中，這款新研制的電池還展現(xiàn)了高可逆容量、高能量密度、超長(zhǎng)循環(huán)壽命等良好特性。楊金霖介紹，電池的容量和能量密度越高，電池在一次充電后可以使用的時(shí)間就越長(zhǎng);長(zhǎng)循環(huán)壽命則意味著電池可以重復(fù)充電—放電使用多次，而依舊保持優(yōu)異性能。在實(shí)驗(yàn)中，新研制的電池可于海水電解液中循環(huán)達(dá)40000次，這意味著其實(shí)際使用壽命將超過(guò)1年。

田新龍介紹，新研制的電池用天然海水代替了傳統(tǒng)的有機(jī)溶劑作為電池電解液，能節(jié)約大約10%的生產(chǎn)成本。電池的組裝過(guò)程也不需要無(wú)水無(wú)氧的嚴(yán)苛環(huán)境，對(duì)設(shè)備和制造工藝要求較低。因此，預(yù)計(jì)電池的整體價(jià)格能降低20%—30%。

此外，MXene電極材料中不含鋰、鈷等價(jià)格昂貴金屬元素，因此這種電池生產(chǎn)成本大幅降低，同時(shí)具有無(wú)毒環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，可助力推動(dòng)全球能源的可持續(xù)發(fā)展、實(shí)現(xiàn)我國(guó)“雙碳”目標(biāo)。

如何盡快讓創(chuàng)新成果實(shí)現(xiàn)落地轉(zhuǎn)化?田新龍認(rèn)為，長(zhǎng)遠(yuǎn)看來(lái)，超長(zhǎng)循環(huán)壽命的海水電池應(yīng)用前景和潛在環(huán)境效益不容忽視，但目前它還面臨著諸多技術(shù)和市場(chǎng)挑戰(zhàn)。“我們還需要解決材料的規(guī)?；恐苽洹㈦姵仄骷慕Y(jié)構(gòu)和工藝優(yōu)化等問(wèn)題。”他說(shuō)。