鉅大LARGE | 點擊量：2018次 | 2018年08月01日
水溶液離子電池原理有哪些？
水溶液鋰電池體系，是由復旦大學教授吳宇平課題組的一項重磅研究成果。研究成果刊發(fā)于《自然》(Nature)出版社旗下期刊《科學報道》(Sci.Report)。這項關(guān)于水溶液鋰電池體系的最新研究，可將鋰電池性能提高80%。電動汽車只需短暫充電即可行駛400公里，這種電池成本低廉，安全不易爆炸。
2013年3月最新一期《自然》(Nature)雜志子刊《科學報道》(Sci.Report)刊發(fā)了復旦大學教授吳宇平課題組的一項重磅研究成果——水溶液鋰電池體系。一片薄薄的金屬鋰，被特制的復合膜緊密包裹，將其置于pH值呈中性的水溶液中，與鋰離子電池中傳統(tǒng)的正極材料尖晶石錳酸鋰組裝，即可制成平均充電電壓為4.2V、放電電壓為4.0V的新型水鋰電，這一成果大大突破了水溶液的理論分解電壓1.23V。該體系計算的實際能量密度大于220Wh/Kg(瓦時/公斤)，能量效率高達95%，預(yù)計裝備這一新型水鋰電的電動汽車的行駛距離可達400公里，而在售電動車出行距離僅為150-180公里。
吳宇平課題組的這項成果對發(fā)展新型的低成本、易大規(guī)模生產(chǎn)、安全環(huán)保的蓄電池體系提供了可能。新型的水鋰電采用水溶液作為電解質(zhì)，阻燃性增強，使電池在使用過程中不易發(fā)燙發(fā)熱，安全性能高；用高分子材料和無機材料制成復合膜，能將電池的能量損耗降到5%以下。
如果將這種電池用于手機，同樣大小的電池至少能將手機通話時間延長一倍，成本則不足原有的一半；用于汽車同樣如此，對環(huán)境構(gòu)成的污染也比現(xiàn)有鋰電池小得多。
在水性電解液，它們的氧化還原電位的差異是非常大的，它們的組合將建立一個可再充電的電池系統(tǒng)的概略結(jié)構(gòu)的組裝的水可再充電鋰的電池（ARLB）使用的被覆的鋰金屬作為陽極和錳酸鋰作為陰極，其CV曲線的掃描速度為0.1mV/s,有兩對氧化還原峰，分別位于4.14/3.80和4.28/3.93V。從上面的圖中，氧化還原反應(yīng)如下所示：在充電過程中，只有一個在陽極反應(yīng)。Li+離子從水性電解液運輸通過被覆層，減少在鋰金屬表面和沉積Li金屬。在陰極上進行兩種反應(yīng)：Li+的陽離子去地嵌入從四面體8a的和八面體16c的站點，隨后，造成兩對氧化還原峰，和有機電解質(zhì)的行為類似。在放電過程中，反向的過程發(fā)生。因此，在我們的ARLB的CV曲線有兩對氧化還原峰。這表明，我們上面的電池化學涂層的鋰金屬，0.5mol.L-1Li2SO4/LiMn2O4可以在水性電解液的可充電電池平均輸出電壓高于3.8V，遠高于水的理論分解電壓，即1.229V。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
水鋰電池
水鋰電池
圖3：（一）示意圖我們設(shè)計的可再充電鋰水溶液的電池（ARLB）使用的被覆的鋰金屬作為陽極，錳酸鋰作為陰極和0.5mol.L-1Li2SO4水溶液作電解質(zhì)，及（b）簡歷ARLB的掃描速率為0.1mVs-1的。的電勢變化的Li+離子在我們設(shè)計ARLB的是，在圖4中所示。鋰金屬具有最低的氧化還原電位，-3.05V（相對于標準氫電極，SHE），并迅速與水反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣和LiOH。此外，鋰金屬的電位是遠低于析氫，氫將容易地生產(chǎn)。然而，在我們的例子中，的涂層鋰金屬是很穩(wěn)定，在水溶液電解質(zhì)和有沒有析氫。主要的原因是，Li+離子可以跨越通過涂層的析氫的電勢范圍內(nèi)，并直接到達的鋰金屬。此交叉的是類似的小區(qū)membrane24兩側(cè)之間的電勢變化。在涂層中Li+離子的電位的急劇減小從正到負。Li+離子的外側(cè)的涂層有更高的電勢，是非常穩(wěn)定的。Li+離子在涂層內(nèi)部不與水接觸，不能給電子原子李導致生產(chǎn)氫的水。順便說一下，水和質(zhì)子無法進入內(nèi)部的涂層，它們無法到達足夠的低電位來生產(chǎn)氫氣。至于LiMn2O4正極，它是穩(wěn)定的，因為它的潛力是在水中下面，對氧的演化和遠高于析氫。
水鋰電池
水鋰電池
圖4：LiMn2O4在電解液和被覆的鋰金屬之間的移動過程中Li+離子的電位的示意圖。
在圖5中所示的在3.7和4.25V之間的ARLB的電化學性能。在恒流充的ARLB曲線在電流密度為100毫安克-1有兩個不同的電壓在4.04和4.18V.高原在放電過程中的錳酸鋰的質(zhì)量的基礎(chǔ)上，兩個電壓高原出現(xiàn)在4.07和3.94的V，分別。這是兩對夫婦以上的CV曲線中觀察到的氧化還原峰，與脫嵌Li+離子進入尖晶石錳酸鋰的嵌入和良好的協(xié)議。約為4.0V，0.2V高于那些基于LiMn2O4的陰極和石墨碳陽極的鋰離子電池的平均放電電壓。放電和充電電壓的基礎(chǔ)上，將能源效率在95%以上，高于那些為鋰離子電池（約90%）和其他的電池systems12，22，25。此電池的初始充放電容量根據(jù)錳酸鋰的質(zhì)量上的130和115毫安克-1，分別與初始庫侖效率是88.5%。這些值是那些在有機electrolyte7類似。的能力遠高于-solution12基于新的液體陰極。當然，在使用有機電解質(zhì)的鋰離子電池，錳酸鋰應(yīng)摻雜或涂層，以確保其良好的循環(huán)performance26，其可逆容量是110毫安克-1以下。這里LiMn2O4的不需要摻雜或coating16，17，而實際上是高于在有機電解質(zhì)中的錳酸鋰的比容量在ARLB。
水鋰電池
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圖5：我們的設(shè)計ARLB的電化學性能，在電流密度為100毫安G-13.7和4.25V之間的質(zhì)量錳酸鋰的基礎(chǔ)上：（一）恒電流充放電曲線在第一個周期及（b）騎自行車的行為。
Li金屬陽極和LiMn2O4正極的放電電壓和容量的基礎(chǔ)上，根據(jù)電極材料的總質(zhì)量的ARLB放電能量密度是446瓦時千克-1，遠高于比以前報道ARLBs那些（30-45瓦千克-1）14，15，16，17，18，19，20，21。當然，它是高于用于鋰/M+水溶液和其他液流batteries3，4，5，9，12。一半的能量密度的鋰離子電池的制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，可以作出幾乎available7，14，這意味著實際能量密度是220瓦時千克-1以上，高于約80%，相應(yīng)的李離子電池的電動車輛（120瓦時千克-1為C/有機electrolyte/LiMn2O4）6，7。這種高能量密度表示，純電動汽車一次充電可以跑200-400公里。
循環(huán)期間，在電流密度為100毫安克-1根據(jù)庫侖的ARLB效率幾乎是100%除第一周期中，這是用于鋰離子電池的類似的質(zhì)量上的LiMn2O4。這種高庫侖效率也表明，水是非常穩(wěn)定的，有沒有明顯的副反應(yīng)的質(zhì)子或水。30個完整的周期后，其放電容量仍保持十分穩(wěn)定，在周圍115毫安G-1，這意味著沒有明顯的發(fā)生在第30次循環(huán)的容量衰減。這表明，這種電池的化學反應(yīng)的循環(huán)性能是非常優(yōu)秀的，這是類似的LiMn2O4在傳統(tǒng)的ARLBs（見圖S4A支持信息：200次循環(huán)后容量衰減沒有明顯的這錳酸鋰正極）。在后者的情況下，錳酸鋰可以保留10000完整的周期，這是優(yōu)于其他種充電batteries16，17的后93%的容量。的高分子電解質(zhì)的Li金屬，可以緩沖的體積變化，在溶解過程中，化學鍍，以確保其良好的與涂層接觸。這也是很重要的，以獲得優(yōu)良的循環(huán)性能。
水鋰電池
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在傳統(tǒng)的鋰金屬二次電池，鋰金屬作為負極材料的使用受到限制，主要是鋰枝晶的安全問題，因為他形成在反復的充放電過程中導致短路。在我們的設(shè)計中，如在圖1中示出，鋰金屬涂敷由GPE和LISICON膜。將抑制鋰枝晶的形成在GPE27由于其較高的粘度比的有機液體電解質(zhì)。即使當鋰枝晶形成，它們不能生長通過LISICONfilm11，12，22。其結(jié)果是，Li金屬陽極的安全性和循環(huán)性能得以確保。
水電解質(zhì)在此ARLB系統(tǒng)，具有高的熱容量，并能吸收大量的熱量。在相同的充電和放電過程中，該系統(tǒng)的溫度要低得多，比常規(guī)的鋰離子電池。此外，水或含水電解質(zhì)與Li金屬陽極和LiMn2O4正極兩者直接接觸，并且冷卻效果將是非常有效的。冷卻系統(tǒng)，這是通常所需的大容量電池模塊，無需為在電動汽車中的應(yīng)用。當與傳統(tǒng)的鋰離子電池相比，大大提高安全性和可靠性。
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