基本介紹
研究成果2013年3月最新一期《自然》(Nature)雜誌子刊《科學報導》(Sci.Report)刊發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，被特製的複合膜緊密包裹，將其置於pH值呈中性的水溶液中，與鋰離子電池中傳統的正極材料尖晶石錳酸鋰組裝，即可製成平均充電電壓為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於220 Wh/Kg(瓦時/公斤)，能量效率高達95%，預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。
特點介紹
title吳宇平課題組的這項成果對發展新型的低成本、易大規模生產、安全環保的蓄電池體系提供了可能。新型的水鋰電採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髮熱，安全性能高；用高分子材料和無機材料製成複合膜，能將電池的能量損耗降到5%以下。
如果將這種電池用於手機，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；用於汽車同樣如此，對環境構成的污染也比現有鋰電池小得多。
工作原理
水鋰電池在水性電解液，它們的氧化還原電位的差異是非常大的，它們的組合將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0.1 mV/s,有兩對氧化還原峰，分別位於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，只有一個在陽極反應。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：Li +的陽離子去地嵌入從四面體8a的和八面體16c的站點，隨後，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鋰金屬，0.5mol.L-1 Li2SO4/LiMn2O4可以在水性電解液的可充電電池平均輸出電壓高於3.8 V，遠高於水的理論分解電壓，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-1 Li2SO4水溶液作電解質，及（b）簡歷ARLB的掃描速率為0.1 mV s-1的。的電勢變化的Li +離子在我們設計ARLB的是，在圖4中所示。鋰金屬具有最低的氧化還原電位，-3.05 V（相對於標準氫電極，SHE），並迅速與水反應，產生氫氣和LiOH。此外，鋰金屬的電位是遠低於析氫，氫將容易地生產。然而，在我們的例子中，的塗層鋰金屬是很穩定，在水溶液電解質和有沒有析氫。主要的原因是，Li +離子可以跨越通過塗層的析氫的電勢範圍內，並直接到達的鋰金屬。此交叉的是類似的小區membrane24兩側之間的電勢變化。在塗層中Li +離子的電位的急劇減小從正到負。Li +離子的外側的塗層有更高的電勢，是非常穩定的。 Li +離子在塗層內部不與水接觸，不能給電子原子李導致生產氫的水。順便說一下，水和質子無法進入內部的塗層，它們無法到達足夠的低電位來生產氫氣。至於LiMn2O4正極，它是穩定的，因為它的潛力是在水中下面，對氧的演化和遠高於析氫。
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。
水鋰電池在圖5中所示的在3.7和4.25 V之間的ARLB的電化學性能。在恆流充的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鋰的質量的基礎上，兩個電壓高原出現在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定。約為4.0 V，0.2 V高於那些基於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上，將能源效率在95%以上，高於那些為鋰離子電池（約90%）和其他的電池systems12，22，25。此電池的初始充放電容量根據錳酸鋰的質量上的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。的能力遠高於-solution12基於新的液體陰極。當然，在使用有機電解質的鋰離子電池，錳酸鋰應摻雜或塗層，以確保其良好的循環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，而實際上是高於在有機電解質中的錳酸鋰的比容量在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之間的質量錳酸鋰的基礎上：（一）恆電流充放電曲線在第一個周期及（b）騎腳踏車的行為。
Li金屬陽極和LiMn2O4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，遠高於比以前報導ARLBs那些（ 30-45瓦千克-1）14，15，16，17，18，19，20，21。當然，它是高於用於鋰/ 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製造技術的基礎上，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，高於約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公里。
水鋰電池循環期間，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，這是用於鋰離子電池的類似的質量上的LiMn2O4。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，這意味著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LiMn2O4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鋰正極）。在後者的情況下，錳酸鋰可以保留10000完整的周期，這是優於其他種充電batteries16，17的後93%的容量。的高分子電解質的Li金屬，可以緩衝的體積變化，在溶解過程中，化學鍍，以確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，因為他形成在反覆的充放電過程中導致短路。在我們的設計中，如在圖1中示出，鋰金屬塗敷由GPE和LISICON膜。將抑制鋰枝晶的形成在GPE27由於其較高的粘度比的有機液體電解質。即使當鋰枝晶形成，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確保。
水電解質在此ARLB系統，具有高的熱容量，並能吸收大量的熱量。在相同的充電和放電過程中，該系統的溫度要低得多，比常規的鋰離子電池。此外，水或含水電解質與Li金屬陽極和LiMn2O4正極兩者直接接觸，並且冷卻效果將是非常有效的。冷卻系統，這是通常所需的大容量電池模組，無需為在電動汽車中的套用。當與傳統的鋰離子電池相比，大大提高安全性和可靠性。
發展前景
水鋰電是當今鋰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鋰電池中的有機電解質溶液。在大型儲能系統中，用傳統方法製造的鋰電池成本高，對生產條件要求高，還存在較大的安全隱患。而水溶液安全性能高，不會起火，離子導電率高，且成本也低，水鋰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儘管有牌照免費、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里程。“萬一車開出去開不回來怎么辦?”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鋰電池體系採用複合膜包裹金屬鋰，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公里，而裝備這一新型水鋰電的電動汽車，它的行駛距離有望達到400公里。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，而裝備這一新型水鋰電的電動汽車一次充電只需要10秒鐘左右。此外，新型水鋰電的製造成本也只有目前市面上電動汽車鋰電池的一半價格。這樣一來，電動汽車和普通汽車在性能上的差異不再明顯。其環保優勢將更具市場吸引力。“這種新型水鋰電池一旦產業化後，將能徹底解決目前新能源電動車存在的安全隱患、成本高、行駛里程短等三大制約其產業發展的主要難題。”吳教授說。
吳教授告訴記者，這一成果經《自然》雜誌子刊《科學報導》上刊發後，短短几天，已經有美國新能源汽車開發的相關機構發出合作請求，但復旦方作為擁有原創智慧財產權方，更希望尋求與國內企業合作，儘快將這一成果在國內運用，推動新能源車產業的加速發展，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，新型水鋰電還可以廣泛運用於手機、筆記本電腦、大型製造設備等領域。和傳統鋰電池相比，它的另一個顯著的優勢是不容易發燙髮熱，大大降低了安全隱患。如果這項技術成果是真實的話，那么它將給全球無數的企業帶來致命的重創（石油產品首當其衝），因為這項技術的誕生、就意味著所有能替代的產品企業全部倒閉或破產！
安全性
新型水鋰電池安全不易爆炸吳宇平課題組的這項成果對發展新型的低成本、易大規模生產、安全環保的蓄電池體系提供了可能。
最新進展
鋰電池又多了一個研究方向。復旦大學新能源與材料實驗室教授吳宇平介紹，目前水鋰電已經做出模擬電池，但容量還很小。
水鋰電是當今鋰電池研發的前沿和方向之一，核心問題是如何防止鋰離子和水在低電位發生反應，陶瓷隔膜成為技術上的關鍵。理論上，水鋰電能量密度大，能量效率高達95%，裝備水鋰電的電動汽車滿電狀態下的行駛距離可達400公里，而充電時間很短。此外，水鋰電在使用中不易發燙髮熱，安全性能更高。
分析認為，該項技術提高了能量密度，有望解決目前電動汽車電池成本高、續航能力短、充電時間長等問題。不過，該技術研發目前只是在原理上實現了突破，在實驗室得到了驗證，而且，目前研製出的電池容量太小，只有大容量電池研發成功才具有實質性意義。
