“两高”水性可充电电池问世 比锂离子电池更安全、更便宜

仙仙

锂离子电池以其高能量密度、高效率和低自放电率在便携式电子产品和电动汽车中占据主导地位，然而使用易燃的有机电解液所引起的严重安全问题阻碍了它的广泛应用。水性可充电电池由于使用了不可燃且价格低廉的水溶液（即用水作溶剂的溶液）作为电解液，不仅比锂离子电池更安全、成本更低，也更容易制备。但由于受到水分解电压的限制，目前水性可充电电池的能量密度远低于锂离子电池。


众所周知，电解液是化学电池、电解电容等使用的介质，为它们的正常工作提供离子，并保证工作中发生的化学反应是可逆的。所以提高水性可充电电池的实用性，改良水溶液电解液，提高其电压稳定窗口，已经成为目前研究的热点。


11月19日，南京工业大学宣布，该校吴宇平、付丽君教授团队设计了一种碱性/中性混合的水溶液电解液体系，研发出了高电压高能量密度水溶液混合电解液可充电电池。相关研究发表在国际化学领域顶级学术期刊《先进能源材料》上。


“水性可充电电池是指用水溶液作为电解液的可充电电池。”付丽君介绍道，“水溶液的理论分解电压是1.23伏，实际电池中由于存在过电势，分解电压可以达到1.5~2伏，但是很难超过2伏。而电池的能量密度与电池的电压是成正比的，即电压越高能量密度也越高，而电解液的电压窗口决定了电池可达到的最大电压，因此要提高水性可充电电池的电压，首先要提高水溶液电解液的电压稳定窗口。我们将碱性溶液与中性溶液组合成混合电解液，将电解液的电压稳定窗口提高到了3伏。”


“在水溶液电解液体系中，中性电解液的析氢电位高于碱性电解液，析氧电位低于酸性溶液，但是其电压窗口是3种溶液中最宽的。另外，碱性溶液和中性溶液的组合相对较为容易，而且这样的组合将大大拓宽电压稳定窗口。”论文第一作者、南京工业大学袁新海博士表示。


在这个工作中，研究团队使用了阳离子交换膜作为隔膜。“阳离子交换膜可以起到传输阳离子阻隔阴离子的作用，从而使电解液保持稳定的pH值。另外，在这个混合电解液体系中，阴、阳离子在正负极电解液中都是稳定存在的。因而保证了这个电解液体系的稳定性。”袁新海解释道，只有电解液保持稳定，才能使电解液的电压窗口保持稳定，才能保持电池体系的可逆性和稳定性。


“电解液的电压稳定窗口解决了，下一步就是选用合适的正负极材料构建高电压、高能量密度水性可充电电池。”付丽君介绍，他们在研究中注意到，锌是在碱性溶液中具有较负电位（相对于标准氢电极的电位为-1.216伏）且具有较高比容量的负极材料，而锰酸锂是在中性电解液中具有较高氧化还原电位和较高比容量的正极材料，“因此将这两种材料结合起来，可以得到较高电压的水性可充电电池”。


该研究团队基于这种混合水溶液电解液的概念，还研发了一系列水溶液电池和水溶液电容器的工作，相关工作分别发表在《化学电化学》《化学通讯》《材料化学学报A》和《先进科学》上。（通讯员周伟 科技日报记者金凤）