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华东师范大学将亮相“锌+碘”新型安全动力电池

新闻报道  News reportage

华东师范大学将亮相“锌+碘”新型安全动力电池

来源:
百家号
发布时间:
2018/09/17
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     正是因为传统电池是刚性的,在弯曲、折叠时,容易发生严重安全问题;而柔性锌碘电池在保持良好柔性同时,仍能保持原有的能量密度,不影响设备续航时间。

 

在周三(19日)即将开幕的第20届中国国际工业博览会上,华东师范大学带来一种“锌+碘”新型安全动力电池,亮相工博会高校展区。随着研究开发推进,无污染、高安全、长寿命且具有合适充电时间的新型锌碘电池,可以应用于日常生活、交通出行等各个领域。而且,这种电池还可以做成柔性状态,可能完全改变数字化生活。

电池装配组件,内加电解液,红色为电池正极

无毒性:锌碘水溶环境友好

“今日空气质量指数(AQI)300,应适当减少室外活动……”在大气污染形势依然严重的今天,人们对空气质量的关注度日益升温,实时关注PM2.5成为“刚需”。在所有污染源中,汽车尾气对PM2.5的贡献率不容小觑,社会呼唤采用电动车逐步替代燃油车。于是,这对车用电池提出了新要求:电池的生产、使用、回收等各个环节都需要环保,而且要有足够大的储能密度和功率密度,还有电池的充电时间要合适,比如能在10分钟至1个小时范围内充满。

对此,华东师范大学信息科学技术学院研究员、博士生导师王连卫进行着各种电池的优缺点比选。他表示,目前研究比较多的仍是锂离子电池,此外锂空气电池、石墨烯电池也是关注热点,然而,“这一类电池主要使用的是易燃的有机电解液。” 安全问题始终是电池绕不开的问题,尽管也有研究人员在探索无机固态电解质,如“锂砱氧氮”等,但目前电阻较大,还无法在车用动力电池中使用。

课题组成员装配的柔性锌碘电池初期样品

不仅手机,许多因电动车电池爆炸或损坏造成的安全事故也是触目惊心的。王连卫团队发现,其实,人们熟悉的锌和碘都是环境友好材料,碘化锌(ZnI2)水溶液无毒且不易燃烧,所以由碘和锌组成的锌碘电池也是符合环保要求的。已有研究表明,这种电池的能量密度已经超过常用的磷酸铁锂电池,应是很有前途的电池。但他们遇到的最大挑战在于,已见报道的锌碘电池都是液流电池,这种液流的架构结构复杂,且体积庞大,很难应用于日常生活。

长寿命:过放电也能自修复

理想“丰满”,现实“骨感”,为此华东师大王连卫课题组必须对传统意义上的锌碘电池进行大刀阔斧的“改革”。他们多年来在电极材料、电池隔膜、电池整体结构等方面进行大量探索,在锌溴电池及锌碘电池领域研究成果的丰厚基础上,课题组研究发现,这类新型电池的充放电过程中,导致了电池内离子交换膜的两边产生压差,如不采取附加的液流架构,电池结构就可能不稳定,甚至被损坏。

经过不断实验探索,课题组采用人工修饰的回流通道,成功解决了这一老大难问题。王连卫向解放日报·上观新闻记者展示了两张图,进行前后对比:第一张图显示传统型的锌碘电池工作原理,电池主体的两边各有液流架构,分别是蓝色液体代表的锌离子,和红色液体代表的碘离子;而第二张图则是改进型锌碘电池的工作原理,可以看出这种新结构电池舍去了液流架构,体积相应减小,可用性则增加,比如可用于照明、电动自行车、电动汽车等领域。

液流结构锌碘电池工作原理图

经过改进的锌碘电池工作原理图

王连卫等还研究发现,这种电池具有自修复特性,即使过度放电,也可以恢复。他表示,锌碘电池有较好的充放电循环特性,可以做多次循环。比如,美国西北大学已有研究表明,在液流电池上的充放电循环已经可以超过4500次。课题组预计非液流电池的差别不会太大,“可以说锌碘电池是一种长寿命电池。”

有柔性:可弯可折又可穿戴

课题组预期,由于锌碘电池本身具有较高的容量且使用的主要材料并非易燃易爆之物,其研发成功和投入应用,不仅可取代对坏境有害的铅蓄电池在日常生活中的大量使用,也可促进安全性车用电池研发,还可以用它来替代易发生电池安全事故的锂电池,真正做到绿色出行、安全消费。

课题组成员在装配电池

值得注意的是,从锌碘电池工作原理可见,如果电池包装材料全部换成柔性材料,它仍然可以工作。“这意味着,我们可以制作可弯曲的柔性锌碘电池,满足当下柔性电子产品、可穿戴设备的快速发展需求。” 王连卫表示,事实上,正是因为传统电池是刚性的,在弯曲、折叠时,容易发生严重安全问题;而柔性锌碘电池在保持良好柔性同时,仍能保持原有的能量密度,不影响设备续航时间。“柔性电池是柔性电子产品的核心部件,这方面的应用前景还很广阔。”

据悉,目前课题组正在和沪上电池隔膜研制单位合作,旨在进一步降低电池电阻,争取率先应用于电动汽车。

栏目主编:徐瑞哲文字编辑:徐瑞哲题图来源:华东师范大学 提供图片编辑:徐佳敏