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鋰離子電池以其高能量密度、高效率和低自放電率在便攜式電子產(chǎn)品和電動汽車中占據(jù)主導(dǎo)地位，然而使用易燃的有機電解液所引起的嚴(yán)重安全問題阻礙了它們的廣泛應(yīng)用。而水性可充電電池雖然成本低、運行安全性高、環(huán)境友好，但由于受到水的分解電壓的限制(1.23V)，其能量密度遠低于有機鋰離子電池。
“水性可充電池是指用水溶液作為電解質(zhì)的可充電電池。”付麗君教授介紹道，“水溶液的理論分解電壓是1.23V，實際電池中由于存在過電勢 ，分解電壓可以達到1.5~2V左右，但是很難超過2V。我們通過使用陽離子交換膜，將堿性溶液與中性溶液組合成混合電解液體系，將水溶液電解質(zhì)的電壓穩(wěn)定窗口提高到了3V。”
“在水溶液電解質(zhì)體系中，中性電解液的析氫電位高于堿性電解液，析氧電位低于酸性溶液，但是其電壓窗口是三種溶液中最寬的。另外，堿性溶液和中性溶液的組合相對較為容易，而且這樣的組合將大大拓寬水溶液體系的電壓穩(wěn)定窗口。”論文第一作者、南京工業(yè)大學(xué)袁新海博士表示。
在這個工作中，研究團隊使用了陽離子交換膜作為隔膜。“陽離子交換膜可以起到傳輸陽離子而阻隔陰離子的作用，從而使電解液保持穩(wěn)定的PH值。另外在這個混合電解液體系中，陽離子在兩端電解液中都是穩(wěn)定存在的，因此保證了電解液的穩(wěn)定性。”袁新海解釋道，電解液的穩(wěn)定才能保證這個電池體系的穩(wěn)定性，即保證這個電解液體系的電壓窗口保持穩(wěn)定。
“電解液的電壓穩(wěn)定窗口解決了，下一步就是選用合適的正負(fù)極材料才能構(gòu)建高電壓、高能量密度水溶液電池。”付麗君介紹，他們在研究中注意到，鋅是在堿性溶液中具有最負(fù)電位且具有較高比容量的金屬負(fù)極，而錳酸鋰是在中性電解液中具有較高氧化還原電位和較高比容量的正極材料，“因此將這兩種材料結(jié)合起來，可以得到較高電壓的水性可充電池。”
據(jù)了解，這種水溶液電池由于使用了不可燃且價格低廉的水溶液作為電解質(zhì)，不僅比鋰離子電池更安全、成本更低，也更容易制備，因為鋰電池須在無水無氧條件下制備，對水和氧氣含量的要求非常高。
該研究團隊基于這種混合水溶液電解質(zhì)的概念，還研發(fā)了一系列水溶液電池和水溶液電容器的工作，相關(guān)工作分別發(fā)表在《化學(xué)電化學(xué)》、《化學(xué)通訊》《材料化學(xué)學(xué)報A》和《先進科學(xué)》 上。
