200mAh/g，這是主流的充電鋰電池比容量。

1200mAh/g，這是最新的“食鹽”可充電電池比容量。

能量密度直接提升了6倍！

這就是斯坦福團(tuán)隊(duì)最新的Na/Cl2和Li/Cl2可充電池：

它可以在1200mAh/g的比容量下可逆循環(huán)，平均庫(kù)侖效率大于99%。

而首次放電比容量更是可以達(dá)到2800mAh/g。

這篇Nature刊發(fā)的電池新研究，作者團(tuán)隊(duì)盡是中國(guó)面孔。

其中，共同一作是斯坦福大學(xué)朱冠舟博士、西南交通大學(xué)田馨博士。

正極高微孔碳，負(fù)極鈉或鋰

這一電池的正極為高微孔碳（aCNS），負(fù)極則為鈉或鋰。

起始電解質(zhì)則由溶解在氯化亞砜（SOCl2）中的氯化鋁、氟化物添加劑組成。

其中高微孔碳是一種具有納米球（Nanosphere）結(jié)構(gòu)的碳材料，充滿了許多超細(xì)微孔，能夠吸收大量的氯分子并將其存儲(chǔ)起來(lái)。

朱冠舟博士表示：

當(dāng)電池充電時(shí)，氯分子被捕獲并保存在碳納米球的微孔中；放電時(shí)，再將氯轉(zhuǎn)化為氯化鈉。

△Na/Cl2電池的充放電曲線

這種氯化鋰或氯化鈉與氯之間的氧化還原，就是促成電池可逆容量的主要反應(yīng)：

這種氧化還原作用為正極提供了可充電性，而摻有堿氟化物（alkali-fluoride-doped）的堿氯（alkali-chloride）固體電解質(zhì)則穩(wěn)定了負(fù)極。

在放電時(shí)，SOCl2電池在氧化/充電階段的各種產(chǎn)物都隨之減少：

實(shí)驗(yàn)結(jié)果最后表明，在3.5v的放電電壓和每克1200mAh的容量下，電池能夠超過(guò)200次循環(huán)。

其庫(kù)侖效率可以大于99%，而能量效率（放電容量與每次循環(huán)充電容量輸入的比值）也大于90%。

在首次放電時(shí)，電池比容量可達(dá)到2800mAh/g，平均放電電壓約為3.2V。

偶然的契機(jī)：可逆化學(xué)反應(yīng)

事實(shí)上，研究團(tuán)隊(duì)并不是一開始就瞄準(zhǔn)了可充電的Na/Cl2和Li/Cl2電池來(lái)研究的。

他們一開始只是想利用氯化亞砜 （Thionyl chloride）來(lái)改進(jìn)現(xiàn)有的電池技術(shù)。

轉(zhuǎn)機(jī)則發(fā)生在他們?cè)缙诘囊粓?chǎng)關(guān)于氯和氯化鈉的實(shí)驗(yàn)中。

在這場(chǎng)實(shí)驗(yàn)里，斯坦福大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一種化學(xué)物質(zhì)向另一種化學(xué)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化以某種方式穩(wěn)定下來(lái)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一些可充電性。

我們至少花了一年時(shí)間才意識(shí)到發(fā)生了什么。

斯坦福大學(xué)教授戴宏杰說(shuō)。

接下來(lái)的幾年里，團(tuán)隊(duì)開始研究可逆化學(xué)反應(yīng)，并對(duì)電池正極材料進(jìn)行了多種實(shí)驗(yàn)。

最終，他們選取了具有納米球結(jié)構(gòu)的多孔碳材料制成電極，提高了效率。

研究團(tuán)隊(duì)表示，他們的最高目標(biāo)是讓電動(dòng)汽車能夠行駛現(xiàn)有平均距離的六倍遠(yuǎn)，或者讓手機(jī)充一次電就能玩一周。

像衛(wèi)星遙感器這種根本無(wú)法頻繁充電的設(shè)備，就更是高性能充電電池未來(lái)的受益者。

許多電池電量耗盡的衛(wèi)星只能漂浮在軌道上，無(wú)法再次使用。

如果未來(lái)的衛(wèi)星配備壽命更長(zhǎng)的可充電電池，比如太陽(yáng)能充電池，那么衛(wèi)星的壽命也將被一并延長(zhǎng)。

團(tuán)隊(duì)介紹

論文一作朱冠舟博士斯坦福大學(xué)化學(xué)系博士生，主要研究為高容量和高能量密度電池等領(lǐng)域。

共同一作田馨博士來(lái)自西南交通大學(xué)，主要研究納米功能材料的合成制備、性能調(diào)控等領(lǐng)域。

通訊作者戴宏杰本科畢業(yè)于清華大學(xué)，現(xiàn)在坦福大學(xué)化學(xué)系任教授。

他曾在2016年被選為美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士，是納米管領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物。

論文地址：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03757-z

參考鏈接：
[1]https://techxplore.com/news/2021-08-rechargeable-batteries.html
[2]https://www.sciencetimes.com/articles/33071/20210826/electronic-vehicles-powered-rechargeable-batteries-travel-farther-without-recharge-re.htm