客观日本

日本发现新型电解质 有望扩大锂离子电池的用途

2016年10月12日 化学材料

东京大学等机构的研究小组开发了一种能够在常温条件下保持稳定性能的液体,可用来代替现在作为锂离子电池的电解质被广泛使用的有机溶剂。如能用接近水的无毒电解液替代易燃有毒的有机溶剂,则可大幅降低锂离子电池的生产成本以及火灾事故等风险。研究小组表示,这一发现不仅可以加快电动汽车和新型蓄电池的研发,还有望扩大蓄电池的用途。

锂离子电池作为能储存电能、并在必要时释放电能的轻型高性能蓄电池,被广泛应用于手提式终端等日常用品以及多种产业领域的蓄电系统。为数不多的一个缺点是,除了便携式终端等一部分产品使用凝胶状聚合物之外,作为电解液使用的是特殊的有机溶剂。有机溶剂不仅因为易燃,是引起火灾和爆炸事故的原因之外,还因为有毒性,令人担心在发生事故时会对人体和环境产生不良影响。

由东京大学研究生院工学研究科山田裕贵助教和山田淳夫教授等人的研究小组、科学技术振兴机构(JST)先驱研究员袖山庆太郎、物质·材料研究机构(NIMS)组长馆山佳尚等人共同开发的新型电解液是两种锂盐和水的混合物。这种混合物通常呈固态,不适合作为锂离子电池的电解质。但是研究小组发现,如将特定的两种锂盐和水按照一定比例混合,就可形成具有较高锂离子传导特性和电压耐性的液体"常温熔融水合物"(hydrate melt)。

日本发现新型电解质 有望扩大锂离子电池的用途

将两种锂盐混合,加入少量水,就会形成如右图所示的电解液(图片源自东京大学新闻稿)

以水为主体的液体之所以不适合作为锂离子电池的电解质是因为水通常加压到1.2伏时会分解成氢和氧。但是研究小组发现的常温熔融水合物即使加压到3伏以上也不分解。经确认,使用该水合物的锂离子电池可以忍耐与使用有机溶剂的商用锂离子电池同等的2.4-3.7伏的电压。并且还具备比市面上销售的锂离子电池大大缩短时间实现超快速充电、放电(6分以下)的优点。

研究小组表示了期待本次研究成果能大大地加快要求高度安全性和低价格的电动汽车和家用大型蓄电池的开发,并为IoT时代的电力系统带来重大变革。

国内外对开发性能超过锂离子电池的新一代蓄电池非常关心。特别在迎来产品(物品)通过互联网结合,创造出新的服务和功能的IoT(物联网)时代,不光要求高密度的能源,对开发一种使得对环境没有不良影响的新一代安全的蓄电池成为可能的新材料的需求也在进一步增大。

本次研究成果已发表在8月26日的《自然-能源》杂志电子版上。研究小组的三名成员分别作为各自领域的研究课题的责任研究人进行了如下研究。

山田裕贵:JST战略性创造研究推进项目 尖端的低碳化技术开发(ALCA)"蓄电装置"技术领域的课题《金属自由空气电池的制造》
http://www.jst.go.jp/alca/kadai/bnk_05.html

袖山庆太郎:JST战略性创造研究推进项目 个人型研究(先驱)"融合理论·实验·计算科学和数据科学的材料信息学基础技术的构筑"研究领域的研究课题《探索融合高精度DFT-MD法和数据科学的新型高浓度电解液》
http://www.jst.go.jp/kisoken/presto/project/1112073/15666051.html

馆山佳尚:JST战略性创造研究推进项目 个人型研究(先驱)"能源高效利用和相界面"研究领域的研究课题《第一原理统计力学下太阳能电池光触媒界面动作环境下电荷移动激发过程的研究》
http://www.jst.go.jp/pr/announce/20150821/index.html

相关链接

东京大学新闻发布稿《发现新型锂离子传导液体》