一种常见东西可帮助水系电池“延寿”
來源:大紀元图为大型储能电池模组特写。沙特阿拉伯科学家发现,只需添加廉价常见的工业盐,就能成为水系电池的“延寿丹”。(Shutterstock)
【大纪元2025年09月25日讯】(大纪元记者吴瑞昌报导)水系电池以高安全性和广泛应用,成为储能领域热门选择,但寿命短、能量密度低的缺点一直限制其发展。沙特阿拉伯科学家发现,只需添加廉价常见的工业盐,就能使其大幅提升电池寿命,最多增长10倍。先前研究显示,阳极(负极)是决定水系电池(Aqueous Battery)和其它电池寿命的关键,因为它是化学反应主要发生场所。然而,这些电池在充放电过程中,除了发生预期的电化学反应之外,还会产生副反应(寄生化学反应)。这些副反应不仅会消耗(腐蚀)或降低电池性能,还会在电解液中产生金属电沉积物,加速电池老化。为了解决这些问题,科学家曾发明了新型负极材料、添加特定化合物或开发新型水基电池,但这些方法都会大幅提升成本,让传统的水系电池难以维持优势。这次,沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)研究团队经研究发现,水分子状态是影响电池寿命和性能的主要关键,若要缓解这个问题只需要添加一些经济实惠的工业盐,就能让电池寿命大幅增加。这项研究成果发表到《科学》杂志上。水系电池是指以水为电解液的可充电电池,电解质主要由水和盐类(如硫酸、氯化物)组成,比传统锂电池更加稳定。其优点包括安全性(不易因受损、高温产生爆炸起火)、低成本且对环境友善,以及离子导电率高(充放电速度快),适合于电网储能或电动车辅助电池。不过,缺点在于能量密度较低(受水电压窗口1.23V限制),且电池寿命可能因电极腐蚀而缩短,难以用于小型电子产品上。实验中,他们选用硫酸锌、氯化锌和三氟甲磺酸锌,作为锌金属水系电池的电解液。过程中,他们透过原位核磁共振表征,观察到副反应会迅速消耗氯化锌和三氟甲磺酸锌,导致电池失效。不过,硫酸锌却能有效抑制副反应的发生。随后,他们使用原子力显微镜(AFM)观察电极-电解质的界面反应。结果显示,副反应与“自由水分子”密切相关。“自由水分子”是指水分子之间没有紧密结合的状态,该种状态下的自由水分子,为了与更多分子结合会选择消耗能量和侵蚀阳极,从而引发不必要的反应。该结果让研究人员想到,利用阴离子去调节电池中的电解液(电解质),就能影响电极-电解质界面处的电子转移途径,最终达到控制金属沉积与副反应。经过大量实验,他们发现只需要添加硫酸盐类(硫酸锌),即可减少电池中的自由水分子量,原因是硫酸盐就像“水胶”般稳定水分子的动态,减少副反应和阻止耗能阳极。另外,他们发现这种解决方案不仅简单且经济高效,还适用于包括含铜(Cu)和钴(Co)等其它金属阳极的水系电池。这表明在水系电池设计中,只要加入适当的硫酸盐类就可以逆转金属阳极,达到延长该种电池的寿命。研究人员表示,水系电池作为一种可持续的大规模储能解决方案,正受到全球广泛关注,预计到2030年其市场规模将超过100亿美元。与电动车中常用的锂电池不同,水系电池为将太阳能等再生能源并入电网中,提供了一个更安全、更永续的选择。领导这项研究的首席研究员、KAUST教授兼KAUST可再生能源和储存技术卓越中心(CREST)主席胡萨姆‧阿尔沙里夫(Husam Alshareef)对该校的新闻室说道,“我们的研究结果突显了水结构在电池化学中的关联性,这是过去容易被忽视的参数。”“硫酸盐价格低廉、供应广泛且化学性质稳定,这让我们的水系电池解决方案,在科学和经济上都是可行的。”负责大部分实验的KAUST研究科学家朱云培(Yunpei Zhu)表示。
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