瑞典研发高效便宜可充电锌电池 弥补锂电池缺点

Daphane

來源:大紀元



2024年6月11日，安徽省淮北市一家生产出口锂电池的工厂。(STR/AFP)

【大纪元2024年06月15日讯】（大纪元专题部记者吴瑞昌编译报导）随着人们对于电力和电池的需求不断增加，一些发达国家持续开发新的锂电池或其它电池，但这些电池往往价格较高，使一些低收入国家的人难以负担，而瑞典一所大学最近开发出便宜且可进行数千次充放电的锌电池，可弥补锂电池的缺点。

锂电池制作过程中，不仅需要锂和钴等高单价的金属，还需大量的水和能源，且回收过程中也需要大量的水和能源作为支撑。于是科学家希望能够用高丰富度、低成本的钠（Na）、钾（K）、镁（Mg）、钙（Ca）和锌（Zn）等金属做出电池，去代替锂电池。

锌有含量丰富、成本低、毒性低、理论电容量高（820mAh/g）和回收率高等优点，再加上其氧化还原电位较低，使可充电锌电池（ZnB）可以在不易燃的水性电解质中工作，引起了人们的关注。

尽管锌金属电池凭借其成本效益和安全优势，有望成为下一代储能解决方案，但锌在水环境中容易因过析氢反应（HER）和锌枝晶生长影响电池的循环稳定性，阻碍了商业化的可能性。

锌枝晶生长会降低电池循环性能，缩短其使用寿命甚至刺穿隔膜，导致成为电池短路、爆炸等安全问题的罪魁祸首，因此需要进行限制。先前有科学家使用超浓缩的电解质（WiSE）去减少锌枝晶生长的问题，但使用的材料是氟化盐，这种盐不仅价格昂贵，而且对环境产生负面影响。

于是，开发出不含氟化盐或减少氟化盐的超浓缩电解质就至关重要。这次瑞典的林雪平大学（Linköping University）、卡尔斯塔德大学（Karlstad University）和查尔姆斯理工大学（Chalmers）的研究人员一起开发了一种基于锌、木质素（多数存于树皮和木材中）的特殊超浓缩电解质，制成稳定、可多次充电的锌电池。

他们将一种高吸水性聚合物聚丙烯酸钾（PAAK）加入WiSE后，使其成为含有聚合物的超浓缩电解质（WiPSE）。这种WiPSE是WiSE的新型变体，可以减轻水氧化还原过程相关的副反应（锌枝晶生长和其他问题），从而提高可充电锌电池的循环稳定性。

另外，他们把木质素与导电的碳结合形成有机电极（阴极），与锌（阳极）和WiPSE电解质组装一起后，测量其电容和电压。结果显示，75 mAh/g的电池容量、1.3 V电池电位。测试充放电效果显示，电池经过高电流（1A/g）进行8000次充放电循环后，依然能保持80%的初始容量。

这种新开发的锌电池，类似于2032型钮扣电池。它供电稳定，在进行超过8000次循环充放电后，依然保持不错的性能，给一些低收入国家提供了廉价且可持续的电池解决方案。这项研究成果在5月被发表于《能源与环境材料》杂志。

研究人员表示，这次选用锌与木质素这两种材料，不仅方便取得，且具低成本和可回收性高的特性。此外，这种电池的能量密度与一些低收入国家常用的铅酸电池相当，还不含有毒的铅金属。

他们还表示，虽然目前实验室开发的电池尺寸较小，但他们相信，未来可以造出与汽车电池大小大致相当的大型电池，不过这需要公司进行大规生产才可行。

林雪平大学有机电子学克里斯（Reverant Crispin）教授对该校的新闻室表示，“虽然太阳能板已经变得相对便宜，不少低收入国家的人也采用了它，但在赤道附近国家的太阳很早就下山了，导致他们家庭和企业出现停电问题。现在我们希望这种电池技术可以提供解决方案，尽管其性能低于昂贵的锂电池。”

有机电子实验室研究员齐亚丁汗（Ziyauddin Khan）表示，“锌和木质素都非常便宜，而且电池很容易回收。如果计算每个使用周期的成本，与锂离子电池相比，它会是一种极其便宜的电池。”

他解释，“虽然锂电池有很多好处，但它有爆炸的风险，且回收时具有挑战性。当工厂提取钴等特定元素时，就会产生环境污染和人权等问题。因此，我们的可充电池有望成为有前途的替代品。”