南開博士改進“鋅離子電池” 電池性能大幅提升

隨著三星Note7手機爆炸事件的持續發酵，手機硬件安全問題也引起大眾關注。“為什麼電動汽車、手機爆炸事件時有發生？因為鋰離子電池由於其特性具有一定安全隱患。”近日，南開大學化學學院博士研究生張寧針對“水系鋅離子”電池設計出全新正極材料及電解液，使得鋅離子電池的效能、安全性、穩定性等均有大幅提升和改進，相關科研成果發表在材料與化學類龍頭期刊《美國化學會志》。該成果現已申請專利。

張寧介紹，鋰離子電池已經廣泛應用於人們的生產生活中，然而由於鋰離子在正負極間穿梭脫嵌，易在負極表面形成針狀金屬鋰即“鋰枝晶”，從而刺穿隔膜造成內短路，加上易燃有機電解液的使用大大降低了鋰電池的安全性。此外，鋰資源短缺且分布不均勻(主要集中在南美)，使鋰離子電池價格不斷攀升，這些不利於其在大規模儲能領域的應用。但鋅資源豐富廉價，同時水系電解液不存在易燃易爆隱患，其特點適合大規模儲能體系，如智能電網。所以，張寧將研究目標鎖定為水系鋅離子電池。

電池體系一般由正極、負極以及電解液構成，張寧及其團隊首次利用低溫溶液法成功合成了陽離子缺陷型ZnMn2O4用作正極，同時首次使用高濃度大陰離子電解液三氟甲烷磺酸鋅（Zn(CF3SO3)2）。由於正極材料獨特的結構和電解液特性，大大提升了鋅離子電池的循環穩定性，循環500次后，容量保持率高達94%，庫倫效率100%，實現快速充電且能量“零浪費”。

鋅離子電池的使用不僅可以提升電池性能、安全穩定性，還可以降低成本。據了解，當前市場上金屬鋅價格為約兩美元每千克，而金屬鋰價格約為300美元每千克﹔從年產量上看，金屬鋅年產約500萬噸，而金屬鋰年產隻有約4萬噸。鋅資源廉價易得，更適於在生產實踐中大規模使用。

然而這一水系鋅離子電池目前也還存在一定問題，張寧坦言，這款電池正極材料能量密度較低，約為鋰離子電池正極材料的一半，因此目前更適用於大規模儲能體系，而不太適用於手機等便攜電子設備。“未來工作，可以集中在開發高電壓、高容量的正極材料，來提升電池的能量密度。”張寧說。（胡春艷）