重磅《Nature》：首次实现！这种电池也能充电了！

你是否还在为电动汽车续航太短、充电太慢而担心？作为20世纪70年就已经发明的锂亚硫酰氯电池（Li-SOCl₂），可提供约2300 mAh g^-1的高比容量和710 Wh kg^-1的高能量密度。但是，鱼和熊掌往往难以兼得，这种电池不具有可充性的特点一直制约着其更加广泛的应用。

今日，来自美国斯坦福大学戴宏杰教授和中国台湾科技大学的科研人员，使用无定形碳纳米球 (aCNS) 作为正极，金属钠或锂作为负极，含有AlCl₃和氟化添加剂的SOCl₂作为起始电解液，首次实现了可充电的Na/Cl₂及Li/Cl₂电池。该电池以3.5V放电和高达1200 mAhg^-1容量能够稳定循环超过200次，其库仑效率和能量效率分别高于99%和90%。相关论文以题为“Rechargeable Na/Cl₂ and Li/Cl₂ batteries”于8月26日发表在顶级期刊Nature。

论文链接：

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

设计具有高重量、体积和面积容量以及高能量密度的电池，对于满足社会对储能不断增长的需求非常重要。开发了不同类型的可充电电池，如锂离子电池（LIBs），钠离子电池（SIBs）和铝离子电池（AIBs）。 其中，早在20世纪70年，一次锂亚硫酰氯电池（Li-SOCl₂）以其高能量密度和广泛用于电子和军事等应用而闻名，但缺乏可充电性。电池通过锂负极氧化和电解液SOCl₂还原为硫，二氧化硫 和氯离子进行一次放电。 Cl^-与Li⁺反应从锂负极剥离，形成LiCl沉积在碳表面直至钝化。该原电池在一次放电中可提供约2300 mAh g^-1的高比容量和710 Wh kg^-1的高能量密度。此外，价格低得多以及同样具有高能量密度的钠（Na）电池已被用于探索替代价格高的锂电池。迄今为止，关于Na-SOCl₂的一次电池和可充电池均还未报道。

本文开发的可充电Na/Cl₂及Li/Cl₂电池的原理在于，通过碳微孔中的Cl₂/Cl^-与钠或锂金属上的Na/Na⁺或Li/Li⁺氧化还原进行可逆循环。其中，正极微孔碳中可逆的Cl₂/NaCl或Cl₂/LiCl氧化还原和掺杂氟化物添加剂的碱金属-氯化物固体电解质界面（SEI）对随后的可逆电池循环至关重要。同时电池首次放电在aCNS正极上形成NaCl，类似于Li-SOCl₂正极电池中的LiCl，具有保护作用。

实验结果表明，电池在3.5 V放电电压和高达1200 mAh g^-1容量下能够循环超过200 次，库仑效率和能量效率高于99%和90%。该电池在平均放电电压约为3.2V时，提供的首次放电容量约为2800mAhg^-1。当放电电压为3.55 V时，电池可以以1200 mAh g^-1的比容量可逆循环，平均库仑效率大于99%。

图1.高容量Na/Cl₂电池首次放电

图2.可充电Na/Cl₂电池的不同状态

图3.Na/Cl₂电池在较低放电平台容量时的循环性能

图4.稳定SEI对Na/Cl₂和Li/Cl₂电池的钠负极和aCNS正极的重要性

总之，本文基于不同的电解液，将相似的Na/Cl₂电池和Li/Cl₂电池同时研究，但Na/Cl₂和Li/Cl₂电池之间的差异需要进一步挖掘。此外，在实际应用方面，由于锂金属比钠金属具有更高的可加工性和更低的反应性，锂金属电池可能更具优势。（文：Doublenine）