200mAh/g，這是主流的充電鋰電池比容量。

1200mAh/g，這是最新的“食鹽”可充電電池比容量。

能量密度直接提升了 6 倍！

這就是斯坦福團隊最新的 Na/Cl2 和 Li/Cl2 可充電池：

它可以在 1200mAh/g 的比容量下可逆迴圈，平均庫侖效率大於 99%。

而首次放電比容量更是可以達到 2800mAh/g。

這篇 Nature 刊發的電池新研究，作者團隊盡是中國面孔。

其中，共同一作是斯坦福大學朱冠舟博士、西南交通大學田馨博士。

正極高微孔碳，負極鈉或鋰

這一電池的正極為高微孔碳（aCNS），負極則為鈉或鋰。

起始電解質則由溶解在氯化亞碸（SOCl2）中的氯化鋁、氟化物新增劑組成。

其中高微孔碳是一種具有奈米球（Nanosphere）結構的碳材料，充滿了許多超細微孔，能夠吸收大量的氯分子並將其儲存起來。

朱冠舟博士表示：

當電池充電時，氯分子被捕獲並儲存在碳奈米球的微孔中；放電時，再將氯轉化為氯化鈉。

△Na/Cl2 電池的充放電曲線

這種氯化鋰或氯化鈉與氯之間的氧化還原，就是促成電池可逆容量的主要反應：

這種氧化還原作用為正極提供了可充電性，而摻有鹼氟化物（alkali-fluoride-doped）的鹼氯（alkali-chloride）固體電解質則穩定了負極。

在放電時，SOCl2 電池在氧化/充電階段的各種產物都隨之減少：

實驗結果最後表明，在 3.5v 的放電電壓和每克 1200mAh 的容量下，電池能夠超過 200 次迴圈。

其庫侖效率可以大於 99%，而能量效率（放電容量與每次迴圈充電容量輸入的比值）也大於 90%。

在首次放電時，電池比容量可達到 2800mAh/g，平均放電電壓約為 3.2V。

偶然的契機：可逆化學反應

事實上，研究團隊並不是一開始就瞄準了可充電的 Na/Cl2 和 Li/Cl2 電池來研究的。

他們一開始只是想利用氯化亞碸（Thionyl chloride）來改進現有的電池技術。

轉機則發生在他們早期的一場關於氯和氯化鈉的實驗中。

在這場實驗裡，斯坦福大學的研究人員發現，當一種化學物質向另一種化學物質的轉化以某種方式穩定下來時，會產生一些可充電性。

我們至少花了一年時間才意識到發生了什麼。

斯坦福大學教授戴巨集傑說。

接下來的幾年裡，團隊開始研究可逆化學反應，並對電池正極材料進行了多種實驗。

最終，他們選取了具有奈米球結構的多孔碳材料製成電極，提高了效率。

研究團隊表示，他們的最高目標是讓電動汽車能夠行駛現有平均距離的六倍遠，或者讓手機充一次電就能玩一週。

像衛星遙感器這種根本無法頻繁充電的裝置，就更是高效能充電電池未來的受益者。

許多電池電量耗盡的衛星只能漂浮在軌道上，無法再次使用。

如果未來的衛星配備壽命更長的可充電電池，比如太陽能充電池，那麼衛星的壽命也將被一併延長。

團隊介紹

論文一作朱冠舟博士斯坦福大學化學系博士生，主要研究為高容量和高能量密度電池等領域。

共同一作田馨博士來自西南交通大學，主要研究奈米功能材料的合成製備、效能調控等領域。

通訊作者戴巨集傑本科畢業於清華大學，現在斯坦福大學化學系任教授。

他曾在 2016 年被選為美國國家科學院院士，是奈米管領域的領軍人物。

論文地址：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03757-z