手机一周一充不是梦：「食盐」电池登上Nature，电量达锂电池六倍

机器之心报道
编辑：杜伟、陈萍
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。

图源itdcw 。
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。

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