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隨著三星Note7手機爆炸事件的持續(xù)發(fā)酵，手機硬件安全問題也引起大眾關(guān)注。“為什么電動汽車、手機爆炸事件時有發(fā)生？因為鋰離子電池由于其特性具有一定安全隱患。”近日，南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院博士研究生張寧針對“水系鋅離子”電池設(shè)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(wěn)定性等均有大幅提升和改進，相關(guān)科研成果發(fā)表在材料與化學(xué)類龍頭期刊《美國化學(xué)會志》。該成果現(xiàn)已申請專利。
張寧介紹，鋰離子電池已經(jīng)廣泛應(yīng)用于人們的生產(chǎn)生活中，然而由于鋰離子在正負(fù)極間穿梭脫嵌，易在負(fù)極表面形成針狀金屬鋰即“鋰枝晶”，從而刺穿隔膜造成內(nèi)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，這些不利于其在大規(guī)模儲能領(lǐng)域的應(yīng)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(guī)模儲能體系，如智能電網(wǎng)。所以，張寧將研究目標(biāo)鎖定為水系鋅離子電池。
電池體系一般由正極、負(fù)極以及電解液構(gòu)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）。由于正極材料獨特的結(jié)構(gòu)和電解液特性，大大提升了鋅離子電池的循環(huán)穩(wěn)定性，循環(huán)500次后，容量保持率高達(dá)94%，庫倫效率100%，實現(xiàn)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(wěn)定性，還可以降低成本。據(jù)了解，當(dāng)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(chǎn)量上看，金屬鋅年產(chǎn)約500萬噸，而金屬鋰年產(chǎn)只有約4萬噸。鋅資源廉價易得，更適于在生產(chǎn)實踐中大規(guī)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，因此目前更適用于大規(guī)模儲能體系，而不太適用于手機等便攜電子設(shè)備。“未來工作，可以集中在開發(fā)高電壓、高容量的正極材料，來提升電池的能量密度。”張寧說。
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