钜大LARGE | 点击量：1090次 | 2021年12月21日
氯化钠，电池技术的尽头竟是如此普通的物质？
当前，锂离子电池（Lithium-ionbatteries,LIB）广泛应用于从电动汽车到可穿戴设备的各种应用。
在第二代锂离子电池发明之前，研究人员在20世纪70年代开发出了第一代锂-亚硫酰氯（lithium-thionylchloride,Li-SOCl_2）电池，其中使用SOCl_2作为阴极电解质，锂金属（lithiummetal）作为阳极，无定形碳（amorphouscarbon）作为阴极。这种电池通过锂氧化和阴极电解液还原为硫、二氧化硫和氯化锂放电，以其高能量密度而闻名。
在近日的一项研究中，斯坦福大学团队开发了一种可充电的碱金属-氯（alkalimetal-chlorine）电池，其可存储的电量是当前市售常见可充电锂离子（lithium-ion）电池的6倍。
该研究相关论文登上了《Nature》，共同一作是斯坦福大学化学系的博士生GuanzhouZhu和XinTian，通讯作者是斯坦福大学化学系教授戴宏杰（HongjieDai）。
据介绍，这种碱金属-氯电池可以加速可充电电池的使用，并让电池研究人员更进一步接近实现该领域的最高目标：开发一种高性能的可充电电池，使得手机可以每周一充而不再每天充电，电池汽车在一次充电时实现当前电动车6倍的行驶距离。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
从实现角度来讲，这种碱金属-氯电池依赖氯化钠（sodiumchloride,Na/Cl_2）或氯化锂（lithiumchloride,Li/Cl_2）向氯的反复化学转化。
一次偶然的发现契机
至今还没有人研制出高性能可充电钠-氯或锂-氯电池的原因是氯的反应性太强，难以高效地转化回氯化物。在少数情况下，研究者可以实现可在充电性，但结果是电池的性能太差。
事实上，戴宏杰教授与GuanzhouZhu博士一开始根本没有打算制造可充电的钠和锂-氯电池，而只是为了使用亚硫酰氯改进现有的电池技术。这种化学物质是锂亚硫酰氯电池的主要成分之一，锂亚硫酰氯电池是1970年代首次发明的一种流行的一次性电池。
但在他们早期的一项涉及氯和氯化钠的实验中，斯坦福大学的研究者注意到，一种化学物质向另一种化学物质的转化以某种方式稳定下来，从而产生了一些可充电性。戴宏杰教授认为这是不可能的，他们花了至少一年的时间才意识到这件事的重要性。
在接下来的几年里，该团队阐明了可逆化学反应，并通过对电池正极的不同材料进行试验，寻找提高其效率的方法。当他们使用来自中正大学的Yuan-YaoLi教授和他的学生Hung-ChunTai所研发的先进多孔碳材料形成电极时，在这一技术的支持下取得了重大突破。碳材料具有纳米球结构，充满许多超细孔。在实践中，这些空心球就像一块海绵，吸收了大量原本敏感的氯分子，并将它们储存起来，以便以后在微孔内转化为盐。
当电池充电时，氯分子被困在碳纳米球的微孔中并受到保护，Zhu解释说。然后，当电池需要排空或放电时，我们可以将电池放电并将氯转化为NaCl——食盐的主要成分——可以多次循环重复这个过程。目前最多可以循环200次，但仍有改进的空间。
其结果是向电池黄铜环设计——高能量密度迈出了一步。到目前为止，研究者已经实现了每克正极材料1200毫安时，而目前商用锂离子电池的容量在每克200毫安时。电池容量至少是锂离子电池的6倍。
斯坦福大学的研究人员没有提及电压。此前宁德时代提出的钠离子电池，其电芯能量密度是160Wh/kg，电动车常用的磷酸铁锂电池容量在140Wh/kg左右。
研究者设想他们的电池有一天会用于那些以前没有用到的地方，例如卫星或远程传感器。许多可用的卫星现在都漂浮在轨道上，由于电池耗尽而无法工作。未来，如果卫星配备了长寿命可充电电池，可以安装太阳能充电器，那么卫星的用途将扩大许多倍。对于消费电子产品或电动汽车来说，在设计电池结构、增加能量密度、扩大电池规模和增加循环次数方面还有很多工作要做。
新型电池技术的神秘面纱
本文中研究者展示了电池的高微孔碳正极，一种起始电解质，由包含氟化物添加剂SOCl_2中的氯化铝组成，电池的负极由钠或锂组成。该研究可以生产可充电的Na/Cl_2或Li/Cl_2电池，主要通过碳微孔中的Cl_2/Cl^-氧化还原和钠或锂金属上的Na/Na^+或Li/Li^+氧化还原生成。微孔碳中可逆的Cl_2/NaCl或Cl_2/LiCl通过氧化还原在正极侧提供可充电性，薄的碱金属-氟化物掺杂的碱金属-氯化物固体电解质界面稳定负极，两者对二次碱金属/Cl_2电池至关重要。
对于使用的氯化钠（Na/Cl_2）电池，其中无定形碳纳米球（amorphouscarbonnanospheres,aCNS）作为阴极，SOCl_2中的氯化铝（AlCl_3）作为起始电解质中的主要成分。该电池在工作/循环放电电压为3.5V，容量最高达1,200mAhg−^1的情况下工作/循环超过200次，库伦效率（Coulombicefficiency）和能量效率（energyefficiency）分别为99%和90%以上。
下图1为无定形纳米球（约60nm，1a）和首次放电时的高性能氯化钠（Na/Cl_2）电池。
当电池第一次放电后再充电时，Na沉积在Na电极上，NaCl沉积在aCNS电极上被氧化（约3.83V）（图2a）形成Cl_2，存在于aCNS电极中的大量孔隙中（扩展数据表1）。
如下图3所示，Na/Cl_2电池在容量达到第一个较低放电平台容量(1,860mAhg^-1)时的循环性能。
下图4展示了在Na/Cl_2和Li/Cl_2电池中，稳定的SEI对钠阳极和aCNS阴极的重要性。机器之心
