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(jī)電解液所引起的嚴(yán)重安全問題阻礙了它的廣泛應(yīng)用。水性可充電電池由于使用了不可燃且價格低廉的水溶液(即用水作溶劑的溶液)作為電解液，不僅比鋰離子電池更安全、成本更低，也更容易制備。但由于受到水分解電壓的限制，目前水性可充電電池的能量密度遠(yuǎn)低于鋰離子電池。
眾所周知，電解液是化學(xué)電池、電解電容等使用的介質(zhì)，為它們的正常工作提供離子，并保證工作中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)是可逆的。所以提高水性可充電電池的實用性，改良水溶液電解液，提高其電壓穩(wěn)定窗口，已經(jīng)成為目前研究的熱點(diǎn)。
11月19日，南京工業(yè)大學(xué)宣布，該校吳宇平、付麗君教授團(tuán)隊設(shè)計了一種堿性/中性混合的水溶液電解液體系，研發(fā)出了高電壓高能量密度水溶液混合電解液可充電電池。相關(guān)研究發(fā)表在國際化學(xué)領(lǐng)域頂級學(xué)術(shù)期刊《先進(jìn)能源材料》上。
“水性可充電電池是指用水溶液作為電解液的可充電電池。”付麗君介紹道，“水溶液的理論分解電壓是1.23伏，實際電池中由于存在過電勢，分解電壓可以達(dá)到1.5—2伏，但是很難超過2伏。而電池的能量密度與電池的電壓是成正比的，即電壓越高能量密度也越高，而電解液的電壓窗口決定了電池可達(dá)到的最大電壓，因此要提高水性可充電電池的電壓，首先要提高水溶液電解液的電壓穩(wěn)定窗口。我們將堿性溶液與中性溶液組合成混合電解液，將電解液的電壓穩(wěn)定窗口提高到了3伏。”
“在水溶液電解液體系中，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3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(tuán)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，陰、陽離子在正負(fù)極電解液中都是穩(wěn)定存在的。因而保證了這個電解液體系的穩(wěn)定性。”袁新海解釋道，只有電解液保持穩(wěn)定，才能使電解液的電壓窗口保持穩(wěn)定，才能保持電池體系的可逆性和穩(wěn)定性。
“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)極材料構(gòu)建高電壓、高能量密度水性可充電電池。”付麗君介紹，他們在研究中注意到，鋅是在堿性溶液中具有較負(fù)電位(相對于標(biāo)準(zhǔn)氫電極的電位為-1.216V)且具有較高比容量的負(fù)極材料，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電池”。
該研究團(tuán)隊基于這種混合水溶液電解液的概念，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(jìn)科學(xué)》上。