斯坦福大学团队发明『超级』电池 储电量是普通电池的六倍，手机一周仅充一次电即可持久续航

可用氯-钠充电的LED等

近日，斯坦福大学团队开发出一种“高储能”可充电电池，手机每周仅充1次电即可长期续航，该研究成果有望解决智能手机几乎每天都要充电的产品痛点。在电动车方面，电动汽车无需充电就可行驶日常距离的6倍。

这种“高储能”可充电电池，本质上属于新型碱金属氯电池，其原理主要通过氯化钠或氯化锂进行反复的可逆化学反应。该电池之所以续航能力持久，是因为其储存的电量为目前市场上的电池的6倍。

截至目前，市场上商用锂离子电池容量为每克200毫安时，而该团队研发的“超级”电池容量为每克1200毫安时，这为手机设备、电动车领域向更高的目标又迈进了一步。

相关论文以“Rechargeable Na/Cl2 and Li/Cl2 batteries”为题发表在Nature上。由美国斯坦福大学化学与生物交叉学科博士研究生朱冠洲担任第一作者，教授戴宏杰担任通讯作者。

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目前，市场上已经有许多不同种类的可充电电池，包括锂离子电池、钠离子电池和铝离子电池。由于初级锂-亚硫酰氯电池具在储能方面具有诸多优势，因此被广泛应用于专业电子、军事、公用事业计量和GPS跟踪等领域，但其缺陷也很明显，即可充电性差。

然而，至今还没有科学家开发出高性能、可充电的氯-钠电池或锂-氯电池，主要挑战来自于氯的化学性质太活跃、反应性太强，很难生成高效氯化物。在少数情况下，其他能达到可充效果的电池续航能力较差。

“有心栽花花不开，无心插柳柳成荫”，该团队起初并没有计划开发一种可以充电的钠-锂氯电池，只是希望改善现有硫基氯化物电池的技术性能。硫基氯化物是氯化锂电池的主要成分之一，早在20世纪70年代，就成为一种颇受人们青睐的一次性电池。

随着时代的发展，具有低重量、小容量、低能量密度和小体积的电池，越来越不能满足社会对储能不断增长的需求。

传统的电池通过锂阳极氧化和阴极电解液亚硫酰氯还原为硫（SOCl2）、二氧化硫和氯离子（Cl-）进行一次放电。Cl-与从锂负极剥离的Li+反应，形成沉积在碳表面上的氯化锂（LiCl），直至钝化。

该团队在早期涉及氯和氯化钠的实验中观察到，一种化学物质与另一种化学物质之间的置换可以某种形式稳定下来，这些被稳定下来的物质具有可充电性。戴宏杰表示：“我认为这是不可能的，之后我们用了一年多的时间才真正研究清楚里面的化学反应。”

Na/Cl2电池的第一次放电原理

如今，钠电池已经被积极寻求作为锂电池的替代品，科学界认为，低标准钠电极电位、高能量密度电池具有广阔的应用前景。该研究成果报告了使用无定形碳纳米球（aCNS）和SOCl2中的三氯化铝（AlCl3）分别为阴极和阳极起始电解质，这是钠-氯电池中的主要成分。

该电池可在3.5V放电电压和高达1200mAh容量下循环运行超过200次，库仑效率和能量效率分别大于99%和90%。该电池第一次放电时，容量可达到越2800mAh，平均放电电压接近于3.2V。出乎该团队意料的是，该电池可以在1200mAh的比容量下可逆循环，在放电电压约为3.55V下，平均库仑效率大于99%。

该团队构建了一个使用金属钠作为负极的电池，并在镍泡沫中使用聚四氟乙烯粘合剂包装aCNS作为纽扣电池中的正极。

在后面的几年里，该团队尝试用不同的材料提高电池正极的反应效率，其中最大的进展是与中国台湾中正大学合作研究的多孔碳材料形成电极。该碳材料的纳米球结构有许多超微小的毛孔，就像海绵一样，能产生大量的其他接触性氯分子，并储存起来，在之后的反应过程中可生成盐。

如今，钠电池已经被积极寻求作为锂电池的替代品，科学界认为，低标准钠电极电位、高能量密度电池具有广阔的应用前景。该研究成果报告了使用无定形碳纳米球（aCNS）和SOCl2中的三氯化铝（AlCl3) 分别为阴极和阳极起始电解质，这是钠-氯电池中的主要成分。

钠电极在电池中循环后的SEM图像

该电池可在3.5 V放电电压和高达1200 mAh容量下循环运行超过200次，库仑效率和能量效率分别大于99%和90%。该电池第一次放电时，容量可达到越2800mAh，平均放电电压接近于3.2V。出乎该团队意料的是，该电池可以在1200mAh的比容量下可逆循环，在放电电压约为3.55V下，平均库仑效率大于99%。

该团队构建了一个使用金属钠作为负极的电池，并在镍（Ni）泡沫中使用聚四氟乙烯（PTFE）粘合剂包装aCNS作为纽扣电池中的正极。

在后面的几年里，该团队尝试用不同的材料提高电池正极的反应效率，其中最大的进展是与中国台湾中正大学合作研究的多孔碳材料形成电极。该碳材料的纳米球结构有许多超微小的毛孔，就像海绵一样，能产生大量的其他接触性氯分子，并储存起来，在之后的反应过程中可生成盐。