太平洋西北国家实验室埃尔西·普伊格·桑塔纳 伊斯梅尔·罗德里格斯·佩雷斯为双离子电池设计了一种新型电池化学物质，称为石墨| |锌金属双水离子电池
信用:安德里亚·斯塔尔|太平洋西北国家实验室 可再生能源在电网中的广泛应用需要合适的电池——一种安全、可持续、强大、持久的电池，由丰富且符合道德规范的材料制成
感谢太平洋西北国家实验室(PNNL)的科学家，我们离实现这一愿景可能又近了一步
PNNL材料科学家和莱纳斯·鲍林杰出博士后研究员伊斯梅尔·罗德里格斯·佩雷斯与阿尔贡国家实验室和德国明斯特大学MET电池研究中心的同事合作，开发了一种新型的双离子电池化学
这种新的双电池化学物质被称为石墨| |锌金属双水离子电池，它使用锌阳极和天然石墨阴极在一种含水的或“双盐包水”的电解液中
在含水电解质中成功使用石墨阴极 水性电解质的使用并不新鲜，石墨的使用也不新鲜
事实上，锂离子电池使用石墨作为阳极组件，而非水基锂离子电池使用石墨作为阳极和阴极
新的是将两者结合成一种新的化学
为了做到这一点，罗德里格斯·佩雷斯和他的团队使用了一种高浓度的“双盐包水”溶液，给水性电解质提供了额外的推动力
这种溶液拓宽了电解液的电化学稳定窗口，使石墨能够在实际的水系统中作为阴极材料——这在以前被认为是不可能的
这有助于在高电压下稳定电解质，允许石墨在含水电解质之前电化学氧化
罗德里格斯·佩雷斯说:“这只是一个真正酷的东西放在一起的大杂烩。”
“盐离子的浓度高得令人难以置信，就像水已经不存在了一样
因此，含水电解质在正常电压下不会分解，允许使用石墨
这是最惊人的结果
" 罗德里格斯·佩雷斯的研究建立在美国陆军研究实验室的康旭和马里兰大学的王春生之前的研究基础上，他们在2015年首次开发了这些高浓度水性电解质
电池在测试中表现出良好的性能
大约在2
3至2
5伏，它达到了所有水电池中最高的工作电位之一
罗德里格斯·佩雷斯补充说:“我们的工作电压高于任何其他水性锌电池和任何其他水性双离子电池。”
罗德里格斯·佩雷斯和他的合作者在去年秋天发表在《高级能源材料》上的论文《在高压水性石墨锌金属双离子电池中实现天然石墨》中描述了新型电池化学
更安全、更可持续的电池 但是新的电池化学不仅提高了电池性能，而且对环境也有好处
与锂离子电池中常用的对环境有害、稀有且昂贵的金属(如镍和钴)相比，由高度丰富的碳基材料(如天然石墨)制成的阴极成本更低、更可持续
与只使用非水电解质的商用锂离子电池相比，使用水电解质也使锂离子电池更安全，因为它们不易燃
罗德里格斯·佩雷斯说:“在电池研究方面，我们正努力取得几项对市场增长和普及至关重要的成果。”
“我们希望使用更丰富、成本更低、更可持续的材料，同时最重要的是延长电池寿命并保持适度的能量密度
" 在双离子电池中，阳离子和阴离子(带负电荷的离子)都是活性的，并以手风琴状的方式分别从电解质平行移动到阳极和阴极
荣誉:科特兰·约翰逊，改编自伊斯梅尔·罗德里格斯·佩雷斯的照片|西北太平洋国家实验室 “与锂离子电池相比，石墨||锌金属与特别设计的水电解质的电池化学在成本、可持续性和安全性方面表现出优势，这是由于所使用的材料，”MET电池研究中心材料小组负责人托拜厄斯·普莱克解释说
在锂离子电池中，正极和负极都可以由低成本的碳基材料如石墨制成
这使得分布式基础设施成为支持广泛采用可再生能源的一个特别有前途的解决方案，如电网中的风能和太阳能
但到目前为止，石墨作为阴极的使用受到水的电化学稳定性的限制，水的电化学稳定性上限为1
23伏
电化学稳定性窗口是电解质既不氧化也不还原(分解)的电位范围，是电解质与电极接触效率的重要测量棒
石墨需要更宽的稳定窗口
这就是这种新的细胞化学的作用
静止电网储能的巨大潜力 DIB的机制使其成为电网特别有吸引力的选择
一般来说，每个电池有三个主要部分:称为阴极的正极、称为阳极的负极和电解质
在锂离子电池中，当锂离子(带正电的离子或阳离子)从阴极流向阳极，并通过电解质以摇椅运动的方式返回时，就产生了电能
当电子通过外部电路从阴极流向阳极时，这就平衡了电荷，产生了电
在锂离子电池中，阳离子和阴离子(带负电荷的离子)都是活性的，并以类似手风琴的方式分别从电解质平行移动到阳极和阴极；这允许潜在的高功率应用，如超级电容器，同时仍然能够使用适度高的能量，如电池
此外，这种机制使得电解质中的离子具有活性，允许电池的进一步优化
但是还有工作要做
锂离子电池的性能仍然只有锂离子电池的三分之一左右，所以它们还不能竞争
锂离子电池仍然是同类系统中能量密度最高的电池之一，这意味着它们可以提供大量的能量，而且体积仍然很小
这一优势是它们被用于智能手机和电动汽车等移动应用的主要原因之一
但是罗德里格斯·佩雷斯看到了一个解决办法:把底价提高三倍
罗德里格斯·佩雷斯说:“如果我们能够为电池提供足够高的电压，即使性能不能与锂离子电池相提并论，我们也可以将双离子电池做得更大，使其成为电网储能应用的合适候选产品。”
“虽然你可能无法用它来给手机供电，但你当地的公用事业公司可以用它来为你的家庭储存能量，稳定电网，提高可靠性
" 双离子电池的光明前景 国际纯化学和应用化学联合会将双学士学位列为“2020年化学十大新兴技术”之一，以表彰其在解决未来“重大全球问题”方面的潜力
继续发展电网储能电池背后的科学可以产生新的方法和新的电池化学物质，使我们更接近于在电网中采用可再生能源
这正是罗德里格斯·佩雷斯和他在PNNL的团队打算做的
下一步包括优化含水“双盐包水”电解质——目前电池化学中使用的盐比两种电极都贵
罗德里格斯·佩雷斯说:“PNNL在底层拥有这项有前途的技术。”
“双离子电池有很大的创新空间
"
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