2020-11-26
南京工業(yè)大學(xué)對(duì)外宣布，該校吳宇平、付麗君教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種堿性/中性混合的水溶液電解質(zhì)體系，將水溶液電解質(zhì)的電壓穩(wěn)定窗口提高到了3伏，并研發(fā)出高電壓、高能量密度水溶液混合電解質(zhì)可充電電池。
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(dòng)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)重安全問題阻礙了其廣泛應(yīng)用。而水性可充電電池雖然成本低、運(yùn)行安全性高、環(huán)境友好，但由于受到水的分解電壓的限制，其能量密度遠(yuǎn)低于有機(jī)鋰離子電池。
“水性可充電池是指用水溶液作為電解質(zhì)的可充電電池。”付麗君教授介紹，“水溶液的理論分解電壓是1.23伏，實(shí)際電池中由于存在過電勢，分解電壓可以達(dá)到1.5~2伏，但很難超過2伏。我們通過使用陽離子交換膜，用堿性溶液與中性溶液組合成混合電解液體系，將水溶液電解質(zhì)的電壓穩(wěn)定窗口提高到了3伏。”
“在水溶液電解質(zhì)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(duì)較為容易，而且這樣的組合將拓寬水溶液體系的電壓穩(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。
在此項(xiàng)工作中，研究團(tuán)隊(duì)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(gè)混合電解液體系中，陽離子在兩端電解液中都是穩(wěn)定存在的，從而保證了電解液的穩(wěn)定性。”袁新海解釋道，電解液的穩(wěn)定才能保證電池體系的穩(wěn)定，從而使電解液體系的電壓窗口保持穩(wěn)定。
“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)極材料來構(gòu)建高電壓、高能量密度水溶液電池。”付麗君介紹。
研究團(tuán)隊(duì)在以往的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，鋅是在堿性溶液中具有負(fù)電位且具有較高比容量的金屬負(fù)極，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。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池。
這種水溶液電池由于使用了不可燃且價(jià)格低廉的水溶液作為電解質(zhì)，不僅比鋰離子電池更安全、成本更低，也更容易制備。這是因?yàn)殇囯姵仨氃跓o水無氧條件下制備，對(duì)水和氧氣含量的要求非常高。
該研究團(tuán)隊(duì)基于這種混合水溶液電解質(zhì)的概念，還開展了一系列水溶液電池和水溶液電容器的工作，相關(guān)工作成果分別發(fā)表在《化學(xué)電化學(xué)》《化學(xué)通訊》《材料化學(xué)學(xué)報(bào)A》和《先進(jìn)科學(xué)》上。
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