马里兰大学和陆军研究实验室的研究人员首次开发出一种锂离子电池，它使用水盐溶液作为电解质，达到家用电子产品所需的4.0伏标记，如笔记本电脑，与一些商业上可获得的非水锂离子电池相关的火灾和爆炸风险。他们的工作将于9月6日在Cell Press的新跨学科能源期刊Joule上发表。
“过去，如果你想要高能量，你会选择非水锂离子电池，但你必须在安全方面妥协。如果你更喜欢安全，你可以使用镍/金属氢化物等水性电池，但你必须满足于更低的能量，“共同资深作者康旭说，他是陆军研究实验室的一名实验室研究员，专门研究电化学和材料科学。“现在，我们正在展示您可以同时获得高能量和高安全性。”
这项研究是在2015年的一项科学研究之后进行的，该研究产生了一个类似的3.0伏电池和含水电解质，但是由于所谓的“阴极挑战”而无法实现更高的电压，其中电池的一端由石墨或锂制成金属，被含水电解质降解。为了解决这个问题并使其从三伏跳到四，第一作者，马里兰大学助理研究科学家Chongyin Yang，设计了一种新的凝胶聚合物电解质涂层，可用于石墨或锂阳极。
这种疏水涂层从电极表面附近排出水分子，然后在第一次充电时，分解并形成稳定的界面 - 一种分解产物的薄混合物，将固体阳极与液体电解质分开。该界面受到非水电池内产生的层的启发，保护阳极免受使人衰弱的副反应，使电池能够使用所需的阳极材料，例如石墨或锂金属，并获得更好的能量密度和循环能力。
“这里的关键创新是制造合适的凝胶，可以阻止水与阳极接触，使水不会分解，也可以形成正确的界面，以支持高电池性能，”共同资深作者王春生教授说。马里兰大学A. James Clark工程学院的化学与生物分子工程。
与标准非水锂离子电池相比，添加凝胶涂层还增强了新电池的安全优势，并且与任何其他提出的水性锂离子电池相比，增加了能量密度。所有水性锂离子电池都受益于水基电解质的易燃性，而不是非水性电解质中使用的高度易燃的有机溶剂。然而，这一点的独特之处在于，即使间期层受损(例如，如果电池外壳被刺破)，它也会与锂或锂化石墨阳极反应缓慢，从而防止吸烟，起火或爆炸，否则如果损坏的电池使金属直接接触电解液，则会发生这种情况。
虽然新电池的功率和能量密度适用于目前由更危险的非水电池供电的商业应用，但某些改进将使其更具竞争力。特别是，研究人员希望增加电池可以完成的全性能循环次数，并尽可能减少材料费用。“现在，我们谈论的是50-100次循环，但与有机电解质电池相比，我们希望达到500或更多，”王说。
研究人员还指出，跳跃到四伏的电化学操作在电池技术及其他方面具有重要意义。“这是我们第一次能够在水介质中稳定真正的活性阳极，如石墨和锂，”Xu说。“这为电化学领域的许多不同主题打开了一个广阔的窗口，包括钠离子电池，锂硫电池，涉及锌和镁的多种离子化学，甚至电镀和电化学合成;我们还没有完全探索它们。