水溶液锂電池體系:教授吳宇平課題組的研究成果-中文百科頻道

基本介紹

研究成果

2013年3月最新一期《自然》(Nature)雜志子刊《科學報道》(Sci.Report)刊發了複旦大學教授吳宇平課題組的一項重磅研究成果——水溶液锂電池體系。一片薄薄的金屬锂，被特制的複合膜緊密包裹，将其置于pH值呈中性的水溶液中，與锂離子電池中傳統的正極材料尖晶石錳酸锂組裝，即可制成平均充電電壓為4.2V、放電電壓為4.0V的新型水锂電，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220 Wh/Kg(瓦時/公斤)，能量效率高達95%，預計裝備這一新型水锂電的電動汽車的行駛距離可達400公裡，而在售電動車出行距離僅為150-180公裡。

特點介紹

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吳宇平課題組的這項成果對發展新型的低成本、易大規模生産、安全環保的蓄電池體系提供了可能。新型的水锂電采用水溶液作為電解質，阻燃性增強，使電池在使用過程中不易發燙發熱，安全性能高；用高分子材料和無機材料制成複合膜，能将電池的能量損耗降到5%以下。

如果将這種電池用于手機，同樣大小的電池至少能将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，對環境構成的污染也比現有锂電池小得多。

工作原理

水锂電池

在水性電解液，它們的氧化還原電位的差異是非常大的，它們的組合将建立一個可再充電的電池系統的概略結構的組裝的水可再充電锂的電池（ARLB）使用的被覆的锂金屬作為陽極和錳酸锂作為陰極，其CV曲線的掃描速度為0.1 mV/s,有兩對氧化還原峰，分别位于4.14/3.80和4.28/3.93 V。從上面的圖中，氧化還原反應如下所示：在充電過程中，隻有一個在陽極反應。

離子從水性電解液運輸通過被覆層，減少在锂金屬表面和沉積Li金屬。在陰極上進行兩種反應：

的陽離子去地嵌入從四面體8a的和八面體16c的站點，随後，造成兩對氧化還原峰，和有機電解質的行為類似。在放電過程中，反向的過程發生。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塗層的锂金屬，

可以在水性電解液的可充電電池平均輸出電壓高于3.8 V，遠高于水的理論分解電壓，即1.229 V。

圖3：（一）示意圖我們設計的可再充電锂水溶液的電池（ARLB）使用的被覆的锂金屬作為陽極，錳酸锂作為陰極和

水溶液作電解質，及（b）簡曆ARLB的掃描速率為

的。的電勢變化的

離子在我們設計ARLB的是，在圖4中所示。锂金屬具有最低的氧化還原電位，-3.05 V（相對于标準氫電極，SHE），并迅速與水反應，産生氫氣和LiOH。此外，锂金屬的電位是遠低于析氫，氫将容易地生産。然而，在我們的例子中，的塗層锂金屬是很穩定，在水溶液電解質和有沒有析氫。主要的原因是，

離子可以跨越通過塗層的析氫的電勢範圍内，并直接到達的锂金屬。此交叉的是類似的小區membrane24兩側之間的電勢變化。在塗層中

離子的電位的急劇減小從正到負。

離子的外側的塗層有更高的電勢，是非常穩定的。

離子在塗層内部不與水接觸，不能給電子原子李導緻生産氫的水。順便說一下，水和質子無法進入内部的塗層，它們無法到達足夠的低電位來生産氫氣。至于

正極，它是穩定的，因為它的潛力是在水中下面，對氧的演化和遠高于析氫。

圖4：LiMn2O4在電解液和被覆的锂金屬之間的移動過程中

離子的電位的示意圖。

水锂電池

在圖5中所示的在3.7和4.25 V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4.18 V.高原在放電過程中的錳酸锂的質量的基礎上，兩個電壓高原出現在4.07和3.94的V，分别。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

離子進入尖晶石錳酸锂的嵌入和良好的協議。約為4.0 V，0.2 V高于那些基于

的陰極和石墨碳陽極的锂離子電池的平均放電電壓。放電和充電電壓的基礎上，将能源效率在95%以上，高于那些為锂離子電池（約90%）和其他的電池systems12，22，25。此電池的初始充放電容量根據錳酸锂的質量上的130和115毫安克-1，分别與初始庫侖效率是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，在使用有機電解質的锂離子電池，錳酸锂應摻雜或塗層，以确保其良好的循環performance26，其可逆容量是110毫安克-1以下。這裡LiMn2O4的不需要摻雜或coating16，17，而實際上是高于在有機電解質中的錳酸锂的比容量在ARLB。

圖5：我們的設計ARLB的電化學性能，在電流密度為100毫安G-13.7和4.25 V之間的質量錳酸锂的基礎上：（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

正極的放電電壓和容量的基礎上，根據電極材料的總質量的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，它是高于用于锂/ M +水溶液和其他液流batteries3，4，5，9，12。一半的能量密度的锂離子電池的制造技術的基礎上，可以作出幾乎available7，14，這意味着實際能量密度是220瓦時千克-1以上，高于約80%，相應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公裡。

水锂電池

循環期間，在電流密度為100毫安克-1根據庫侖的ARLB效率幾乎是100%除第一周期中，這是用于锂離子電池的類似的質量上的

。這種高庫侖效率也表明，水是非常穩定的，有沒有明顯的副反應的質子或水。 30個完整的周期後，其放電容量仍保持十分穩定，在周圍115毫安G-1，這意味着沒有明顯的發生在第30次循環的容量衰減。這表明，這種電池的化學反應的循環性能是非常優秀的，這是類似的

在傳統的ARLBs（見圖S4A支持信息：200次循環後容量衰減沒有明顯的這錳酸锂正極）。在後者的情況下，錳酸锂可以保留10000完整的周期，這是優于其他種充電batteries16，17的後93%的容量。的高分子電解質的Li金屬，可以緩沖的體積變化，在溶解過程中，化學鍍，以确保其良好的與塗層接觸。這也是很重要的，以獲得優良的循環性能。

在傳統的锂金屬二次電池，锂金屬作為負極材料的使用受到限制，主要是锂枝晶的安全問題，因為他形成在反複的充放電過程中導緻短路。在我們的設計中，如在圖1中示出，锂金屬塗敷由GPE和LISICON膜。将抑制锂枝晶的形成在GPE27由于其較高的粘度比的有機液體電解質。即使當锂枝晶形成，它們不能生長通過LISICON film11，12，22。其結果是，Li金屬陽極的安全性和循環性能得以确保。

水電解質在此ARLB系統，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，該系統的溫度要低得多，比常規的锂離子電池。此外，水或含水電解質與Li金屬陽極和

正極兩者直接接觸，并且冷卻效果将是非常有效的。冷卻系統，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用。當與傳統的锂離子電池相比，大大提高安全性和可靠性。

發展前景

水锂電是當今锂電池研發的前沿和方向之一，它是用普通的水溶液來替換傳統锂電池中的有機電解質溶液。在大型儲能系統中，用傳統方法制造的锂電池成本高，對生産條件要求高，還存在較大的安全隐患。而水溶液安全性能高，不會起火，離子導電率高，且成本也低，水锂電已經成為下一代大型儲能電池發展的優選方向。

目前，相繼投放市場的新能源電動車盡管有牌照免費、經費補貼等優惠政策，但是要打開市場，卻很艱難。關鍵的原因之一就是電池還不夠給力。很多市民都擔心新能源車的續航裡程。“萬一車開出去開不回來怎麼辦?”成為老百姓購買新能源電動車的最大擔憂。

此次，由吳教授團隊開發的新型水锂電池體系采用複合膜包裹金屬锂，以水溶液為電解質，可大幅降低電池的成本，提高其能量密度，從而使電池充電時間更短，儲存電量更多，耐用時間更久。記者了解到，現在市面上售賣的電動汽車出行距離為150-180公裡，而裝備這一新型水锂電的電動汽車，它的行駛距離有望達到400公裡。最值得一提的是，目前市面上電動汽車的充電時間需要8個小時，而裝備這一新型水锂電的電動汽車一次充電隻需要10秒鐘左右。此外，新型水锂電的制造成本也隻有目前市面上電動汽車锂電池的一半價格。這樣一來，電動汽車和普通汽車在性能上的差異不再明顯。其環保優勢将更具市場吸引力。“這種新型水锂電池一旦産業化後，将能徹底解決目前新能源電動車存在的安全隐患、成本高、行駛裡程短等三大制約其産業發展的主要難題。”吳教授說。

吳教授告訴記者，這一成果經《自然》雜志子刊《科學報道》上刊發後，短短幾天，已經有美國新能源汽車開發的相關機構發出合作請求，但複旦方作為擁有原創知識産權方，更希望尋求與國内企業合作，盡快将這一成果在國内運用，推動新能源車産業的加速發展，同時為治理空氣污染減少PM2.5顆粒物的排放發揮積極作用。

據介紹，新型水锂電還可以廣泛運用于手機、筆記本電腦、大型制造設備等領域。和傳統锂電池相比，它的另一個顯著的優勢是不容易發燙發熱，大大降低了安全隐患。如果這項技術成果是真實的話，那麼它将給全球無數的企業帶來緻命的重創（石油産品首當其沖），因為這項技術的誕生、就意味着所有能替代的産品企業全部倒閉或破産！