南开博士改进“锌离子电池” 电池性能大幅提升

随着三星Note7手机爆炸事件的持续发酵，手机硬件安全问题也引起大众关注。“为什么电动汽车、手机爆炸事件时有发生？因为锂离子电池由于其特性具有一定安全隐患。”近日，南开大学化学学院博士研究生张宁针对“水系锌离子”电池设计出全新正极材料及电解液，使得锌离子电池的效能、安全性、稳定性等均有大幅提升和改进，相关科研成果发表在材料与化学类龙头期刊《美国化学会志》。该成果现已申请专利。

张宁介绍，锂离子电池已经广泛应用于人们的生产生活中，然而由于锂离子在正负极间穿梭脱嵌，易在负极表面形成针状金属锂即“锂枝晶”，从而刺穿隔膜造成内短路，加上易燃有机电解液的使用大大降低了锂电池的安全性。此外，锂资源短缺且分布不均匀(主要集中在南美)，使锂离子电池价格不断攀升，这些不利于其在大规模储能领域的应用。但锌资源丰富廉价，同时水系电解液不存在易燃易爆隐患，其特点适合大规模储能体系，如智能电网。所以，张宁将研究目标锁定为水系锌离子电池。

电池体系一般由正极、负极以及电解液构成，张宁及其团队首次利用低温溶液法成功合成了阳离子缺陷型ZnMn2O4用作正极，同时首次使用高浓度大阴离子电解液三氟甲烷磺酸锌（Zn(CF3SO3)2）。由于正极材料独特的结构和电解液特性，大大提升了锌离子电池的循环稳定性，循环500次后，容量保持率高达94%，库伦效率100%，实现快速充电且能量“零浪费”。

锌离子电池的使用不仅可以提升电池性能、安全稳定性，还可以降低成本。据了解，当前市场上金属锌价格为约两美元每千克，而金属锂价格约为300美元每千克；从年产量上看，金属锌年产约500万吨，而金属锂年产只有约4万吨。锌资源廉价易得，更适于在生产实践中大规模使用。

然而这一水系锌离子电池目前也还存在一定问题，张宁坦言，这款电池正极材料能量密度较低，约为锂离子电池正极材料的一半，因此目前更适用于大规模储能体系，而不太适用于手机等便携电子设备。“未来工作，可以集中在开发高电压、高容量的正极材料，来提升电池的能量密度。”张宁说。（胡春艳）