两个高"水性可充电电池比锂离子电池更安全、更便宜
锂离子电池以其能量密度高、效率高、自放电率低等优点,在便携式电子产品和电动汽车中占有主导地位。然而,由于使用可燃有机电解质造成的严重安全问题,阻碍了锂离子电池的广泛应用。水性可充电电池不仅比锂离子电池更安全、更便宜,而且由于使用非可燃廉价的水溶液(即以水为溶剂的水溶液)作为电解质。然而,由于水分解电压的限制,水性可充电电池的能量密度远低于锂离子电池的能量密度。"
11月19日,南京理工大学宣布,吴玉平教授和傅立军教授设计了碱性/中性水溶液电解质体系,研制了一种高电压、高能量密度的混合电解质电池。有关研究发表在国际化学领域最高学术期刊"先进能源材料"上。
水性可充电电池是指以水溶液为电解液的可充电电池。"傅立军说,"水溶液的理论分解电压为1.23伏特。"由于实际电池的过电压,分解电压可达1.5伏特,但很难超过2伏。电池的能量密度与电池的电压成正比,即电压越高,能量密度越高,电解质的电压窗口决定了电池能达到的最大电压。因此,为了提高水性可充电电池的电压,首先要改善水溶液电解质的电压稳定窗口。将碱性溶液与中性溶液组合成混合电解质,使电解液的电压稳定窗口提高到3伏特。
在水溶液体系中,中性电解质的析氢电位高于碱性电解质,析氧电位低于酸性溶液,而中性电解质的电压窗口是三种溶液中最宽的。另外,碱性溶液和中性溶液的结合比较容易,这样的组合将大大拓宽电压稳定窗口。"这篇论文的主要作者,南京工业大学的袁新海博士说。
在这项工作中,研究小组使用一种阳离子交换膜作为隔膜。"阳离子交换膜可以作为阳离子阻止阴离子,从而保持电解质的稳定pH值。此外,在这种混合电解质体系中,阴离子和阳离子在正负电解质中稳定存在。从而保证了电解质体系的稳定性。袁新海解释说,只有电解液保持稳定,电解液的电压窗口才能保持稳定,电池系统才能保持可逆性和稳定性。
解决了电解液电压稳定窗口的问题,下一步是选择合适的正负电极材料来构成高电压、高能量密度的水基可充电电池。傅立军表示,他们注意到锌是碱性溶液中具有负电位的负极材料(相对于标准氢电极的电位为-1.216V),具有较高的比容量,而锰酸锂是一种具有较高氧化还原电位和较高比容量的正极材料。"因此,通过将这两种材料结合起来,可以获得更高电压的水代充电电池。
根据混合水溶液电解质的概念,该团队还开发了一系列水溶液电池和水溶液电容器,分别发表在"化学电化学"、"化学通讯"、"材料化学杂志"和"高级科学"上。