11年前，因鉛酸蓄電池企業(ye) 汙染，江蘇大豐(feng) 50多名兒(er) 童血鉛中毒，其中不乏10個(ge) 月大的嬰兒(er) 。這件事深深觸動了李明強，也改變了他的人生軌跡。

“我一輩子都會(hui) 研究綠色動力電池，要讓百姓用著放心。”英國學成歸來的他立即加入大連理工大學，從(cong) 事綠色動力電池研究，相繼研製出高壽命鎳鋅電池、碘離子電池和溴離子電池。

近日，李明強團隊又提出一款基於(yu) 鹽包水電解質的高性能氯離子電池，該水係氯離子全電池可以在0~3.1伏電壓區間內(nei) 運行，能量密度達262瓦時/千克，壽命達2000次（保持率70 %）。如此高的循環穩定性首次在氯離子電池體(ti) 係中實現。相關(guan) 研究成果發表於(yu) iScience。

測試中的氯離子電池     李明強團隊供圖

更加環保的潛力軍(jun)

“與(yu) 傳(chuan) 統動力電池不同，綠色動力電池不采用含毒成分材料，生產(chan) 使用過程中和廢棄後都不會(hui) 汙染環境，是一類高性能、無汙染的儲(chu) 能係統。”李明強在接受《中國科學報》采訪時表示。

氯離子電池是綠色動力電池的一種，該電池理論體(ti) 積能量密度高（2500 Wh/L）、成本低、安全性好。由於(yu) 海水、礦產(chan) 、鹽湖等均含有豐(feng) 富的氯資源，氯離子電池也被認為(wei) 是潛在的“下一代”電化學存儲(chu) 設備。

然而，氯離子氧化還原材料的不穩定性及在電解質中的溶解性，導致氯離子電池循環壽命短（100次左右），從(cong) 而限製其在儲(chu) 能領域的發展應用。

李明強團隊研發的高壓水係氯離子全電池，則采用碳材料做正極，飽和四甲基氯化銨水溶液做電解質，金屬鋅做負極，“解決(jue) 了電極材料在電解質中溶解和循環壽命短的問題，有望推動氯離子電池取代鋰離子電池”。

實際上，高壓水係氯離子電池相較於(yu) 傳(chuan) 統“熱門”電池有諸多優(you) 勢。“它比易燃、有毒有機電解質鋰離子電池更安全；比低能量密度鎳氫電池理論體(ti) 積能量密度更高；氯資源可取自海水、礦產(chan) 等，比使用成本高昂的質子交換膜與(yu) 鉑觸媒燃料電池成本更加低廉。”李明強說。

論文第一作者、大連理工大學研究生李彤向《中國科學報》介紹，“基於(yu) 鹽包水電解質的高性能氯離子電池”指該氯離子電池采用鹽包水電解質，後者是指溶質和溶劑（水）質量比/體(ti) 積比都遠大於(yu) 1的電解質，“可大幅提升水係電解液的電化學窗口，使電池具有更高能量密度，並且環保安全”。

多次試錯終得突破

實際上，李明強從(cong) 2006年就開始關(guan) 注綠色動力電池，10多年過去了，國內(nei) 外研究氯離子電池團隊依然很少。

“針對當前電池問題，我不會(hui) 隨大流盲目研發，而是找到根本解決(jue) 路徑，氯離子電池研究比較超前，而且存在很多技術難點。”李明強看問題的角度有所不同。

在研發氯離子電池這些年裏，他遇到了充放電效率低、活性物質利用不完全、循環壽命低、充放電狀態不穩定等諸多技術難題。該研究最為(wei) 驚喜的進展，是解決(jue) 了氯離子電池循環壽命短的問題。

正極材料在電解質中溶解的問題是造成氯離子電池循環壽命短的主要原因。李明強說，“此前，我們(men) 主要采用金屬氯化物和金屬氯氧化物作為(wei) 氯離子電正極材料，電解質為(wei) 離子液體(ti) ，電極材料會(hui) 在電解質中溶解，使氯離子電池容量衰減嚴(yan) 重，從(cong) 而導致較低循環壽命（約100次）。”

為(wei) 了選擇合適的電解液，該團隊曾嚐試過不同的有機試劑做溶劑，但電極溶解問題一直沒有得到改善。在查閱相關(guan) 資料、分析討論後，他們(men) 發現高濃度電解質對電極材料的溶解具有抑製作用，而氯鹽在水中具有較高溶解度，於(yu) 是采用了鹽包水電解質。

正極材料的選擇則更為(wei) 曲折。“當時國內(nei) 外有關(guan) 氯離子的研究都是以氯化物和氯氧化物為(wei) 主，直到看到《自然》發布的一項鋰離子電池研究成果，科研人員利用鹵族元素（溴、氯）+石墨開發出一種與(yu) 傳(chuan) 統鋰電池完全不同的正極材料。”李彤告訴記者。

“此前，碳材料主要被用作超級電容器正極材料。工作機理有本質上的不同。超級電容器是通過電極與(yu) 電解質之間形成的界麵雙層存儲(chu) 能量，不是離子遷移，而我們(men) 研發的電池屬於(yu) 離子電池，主要依靠氯離子在正負極之間來回移動實現能量存儲(chu) 。”李彤解釋說。

受到啟發，團隊開始嚐試使用碳材料作為(wei) 正極材料，結果顯示，它可以解決(jue) 電極材料在電解質中溶解的問題。

雖然電解質溶解問題解決(jue) 了，但循環壽命還是不理想。隨後，團隊經過3天密集查閱資料、討論對策、製定實驗方案，終於(yu) 找到集流體(ti) 這一容易被忽略的影響循環壽命的因素。

“我們(men) 嚐試了很多集流體(ti) ，不鏽鋼箔、鈦片、鎳箔等，效果都不理想，最後嚐試將碳材料製成漿塗抹在石墨箔上，氯離子電池循環壽命低的難題終於(yu) 得到解決(jue) ，這為(wei) 陰離子電池正極材料的開發提供了新思路。”李彤說。

產(chan) 業(ye) 化之光顯現

雖然此次研發的氯離子電池具有高安全性、成本低、製備工藝簡單等優(you) 勢，但距離產(chan) 業(ye) 化依然有一段艱難的路要走。

李彤告訴記者，此次研發的氯離子電池正極材料比容量在100~140 mAh/g之間，低於(yu) 目前商用鋰離子電池三元材料的比容量（155~220 mAh/g）。

此外，氯離子電池庫侖(lun) 效率為(wei) 90%，還要繼續尋找合適的電解質添加劑，構建更加穩定的電解質，從(cong) 而避免電解質中氯離子的損失，或通過降低碳材料缺陷濃度和表麵含氧官能團改善電池庫侖(lun) 效率。

推進氯離子電池等綠色動力電池產(chan) 業(ye) 化是李明強多年來一直追求的事業(ye) 。已是副教授的他直言：“這十幾年，我一心要做綠色動力電池轉化。”

實際上，在黎明前的孤路上行走，李明強也有過動搖，但每當取得一點進展，他又興(xing) 奮地繼續前行。“我們(men) 還開展了溴離子電池、碘離子電池等綠色動力電池研究，這種陰離子電池之間有相通機理，當其中一種電池進入研究瓶頸時，可能會(hui) 在另一種電池研發中找到靈感。”李明強說。

目前，李明強校內(nei) 團隊成員隻有4人，但大家對綠色動力電池研發可謂癡迷。“我跟學生每天都會(hui) 去實驗室，沒有周末，一天不去大家都會(hui) 覺得不舒服，而我一天去好幾次。”接受采訪時，他剛從(cong) 實驗室回來。

目前，已經有企業(ye) 陸續找到李明強商談綠色動力電池研發和推廣事宜，先前研發的鎳鋅電池也已做出成品，即將產(chan) 業(ye) 化。“我希望，未來支持綠色動力電池發展的項目多一些、人才多一些、眼光遠一些。”李明強說。



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