測試中的氯離子電池 李明強團隊供圖

11年前，因鉛酸蓄電池企業污染，江蘇大豐50多名兒童血鉛中毒，其中不乏10個月大的嬰兒。這件事深深觸動了李明強，也改變了他的人生軌跡。

“我一輩子都會研究綠色動力電池，要讓百姓用著放心。”英國學成歸來的他立即加入大連理工大學，從事綠色動力電池研究，相繼研制出高壽命鎳鋅電池、碘離子電池和溴離子電池。

近日，李明強團隊又提出一款基于鹽包水電解質的高性能氯離子電池，該水系氯離子全電池可以在0~3.1伏電壓區間內運行，能量密度達262瓦時/千克，壽命達2000次(保持率70 %)。如此高的循環穩定性首次在氯離子電池體系中實現。相關研究成果發表于iScience。

更加環保的潛力軍

“與傳統動力電池不同，綠色動力電池不采用含毒成分材料，生產使用過程中和廢棄后都不會污染環境，是一類高性能、無污染的儲能系統。”李明強在接受《中國科學報》采訪時表示。

氯離子電池是綠色動力電池的一種，該電池理論體積能量密度高(2500 Wh/L)、成本低、安全性好。由于海水、礦產、鹽湖等均含有豐富的氯資源，氯離子電池也被認為是潛在的“下一代”電化學存儲設備。

然而，氯離子氧化還原材料的不穩定性及在電解質中的溶解性，導致氯離子電池循環壽命短(100次左右)，從而限制其在儲能領域的發展應用。

李明強團隊研發的高壓水系氯離子全電池，則采用碳材料做正極，飽和四甲基氯化銨水溶液做電解質，金屬鋅做負極，“解決了電極材料在電解質中溶解和循環壽命短的問題，有望推動氯離子電池取代鋰離子電池”。

實際上，高壓水系氯離子電池相較于傳統“熱門”電池有諸多優勢。“它比易燃、有毒有機電解質鋰離子電池更安全;比低能量密度鎳氫電池理論體積能量密度更高;氯資源可取自海水、礦產等，比使用成本高昂的質子交換膜與鉑觸媒燃料電池成本更加低廉。”李明強說。

論文第一作者、大連理工大學研究生李彤向《中國科學報》介紹，“基于鹽包水電解質的高性能氯離子電池”指該氯離子電池采用鹽包水電解質，后者是指溶質和溶劑(水)質量比/體積比都遠大于1的電解質，“可大幅提升水系電解液的電化學窗口，使電池具有更高能量密度，并且環保安全”。

多次試錯終得突破

實際上，李明強從2006年就開始關注綠色動力電池，10多年過去了，國內外研究氯離子電池團隊依然很少。

“針對當前電池問題，我不會隨大流盲目研發，而是找到根本解決路徑，氯離子電池研究比較超前，而且存在很多技術難點。”李明強看問題的角度有所不同。

在研發氯離子電池這些年里，他遇到了充放電效率低、活性物質利用不完全、循環壽命低、充放電狀態不穩定等諸多技術難題。該研究最為驚喜的進展，是解決了氯離子電池循環壽命短的問題。

正極材料在電解質中溶解的問題是造成氯離子電池循環壽命短的主要原因。李明強說，“此前，我們主要采用金屬氯化物和金屬氯氧化物作為氯離子電正極材料，電解質為離子液體，電極材料會在電解質中溶解，使氯離子電池容量衰減嚴重，從而導致較低循環壽命(約100次)。”

為了選擇合適的電解液，該團隊曾嘗試過不同的有機試劑做溶劑，但電極溶解問題一直沒有得到改善。在查閱相關資料、分析討論后，他們發現高濃度電解質對電極材料的溶解具有抑制作用，而氯鹽在水中具有較高溶解度，于是采用了鹽包水電解質。

正極材料的選擇則更為曲折。“當時國內外有關氯離子的研究都是以氯化物和氯氧化物為主，直到看到《自然》發布的一項鋰離子電池研究成果，科研人員利用鹵族元素(溴、氯)+石墨開發出一種與傳統鋰電池完全不同的正極材料。”李彤告訴記者。

“此前，碳材料主要被用作超級電容器正極材料。工作機理有本質上的不同。超級電容器是通過電極與電解質之間形成的界面雙層存儲能量，不是離子遷移，而我們研發的電池屬于離子電池，主要依靠氯離子在正負極之間來回移動實現能量存儲。”李彤解釋說。

受到啟發，團隊開始嘗試使用碳材料作為正極材料，結果顯示，它可以解決電極材料在電解質中溶解的問題。

雖然電解質溶解問題解決了，但循環壽命還是不理想。隨后，團隊經過3天密集查閱資料、討論對策、制定實驗方案，終于找到集流體這一容易被忽略的影響循環壽命的因素。

“我們嘗試了很多集流體，不銹鋼箔、鈦片、鎳箔等，效果都不理想，最后嘗試將碳材料制成漿涂抹在石墨箔上，氯離子電池循環壽命低的難題終于得到解決，這為陰離子電池正極材料的開發提供了新思路。”李彤說。

產業化之光顯現

雖然此次研發的氯離子電池具有高安全性、成本低、制備工藝簡單等優勢，但距離產業化依然有一段艱難的路要走。

李彤告訴記者，此次研發的氯離子電池正極材料比容量在100~140 mAh/g之間，低于目前商用鋰離子電池三元材料的比容量(155~220 mAh/g)。

此外，氯離子電池庫侖效率為90%，還要繼續尋找合適的電解質添加劑，構建更加穩定的電解質，從而避免電解質中氯離子的損失，或通過降低碳材料缺陷濃度和表面含氧官能團改善電池庫侖效率。

推進氯離子電池等綠色動力電池產業化是李明強多年來一直追求的事業。已是副教授的他直言：“這十幾年，我一心要做綠色動力電池轉化。”

實際上，在黎明前的孤路上行走，李明強也有過動搖，但每當取得一點進展，他又興奮地繼續前行。“我們還開展了溴離子電池、碘離子電池等綠色動力電池研究，這種陰離子電池之間有相通機理，當其中一種電池進入研究瓶頸時，可能會在另一種電池研發中找到靈感。”李明強說。

目前，李明強校內團隊成員只有4人，但大家對綠色動力電池研發可謂癡迷。“我跟學生每天都會去實驗室，沒有周末，一天不去大家都會覺得不舒服，而我一天去好幾次。”接受采訪時，他剛從實驗室回來。

目前，已經有企業陸續找到李明強商談綠色動力電池研發和推廣事宜，先前研發的鎳鋅電池也已做出成品，即將產業化。“我希望，未來支持綠色動力電池發展的項目多一些、人才多一些、眼光遠一些。”李明強說。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1016/j.isci.2020.101976