水溶液离子电池原理有哪些？

水溶液锂电池体系，是由复旦大学教授吴宇平课题组的一项重磅研究成果。研究成果刊发于《自然》(Nature)出版社旗下期刊《科学报道》(Sci.Report)。这项关于水溶液锂电池体系的最新研究，可将锂电池性能提高80%。电动汽车只需短暂充电即可行驶400公里，这种电池成本低廉，安全不易爆炸。

2013年3月最新一期《自然》(Nature)杂志子刊《科学报道》(Sci.Report)刊发了复旦大学教授吴宇平课题组的一项重磅研究成果——水溶液锂电池体系。一片薄薄的金属锂，被特制的复合膜紧密包裹，将其置于pH值呈中性的水溶液中，与锂离子电池中传统的正极材料尖晶石锰酸锂组装，即可制成平均充电电压为4.2V、放电电压为4.0V的新型水锂电，这一成果大大突破了水溶液的理论分解电压1.23V。该体系计算的实际能量密度大于220Wh/Kg(瓦时/公斤)，能量效率高达95%，预计装备这一新型水锂电的电动汽车的行驶距离可达400公里，而在售电动车出行距离仅为150-180公里。

吴宇平课题组的这项成果对发展新型的低成本、易大规模生产、安全环保的蓄电池体系提供了可能。新型的水锂电采用水溶液作为电解质，阻燃性增强，使电池在使用过程中不易发烫发热，安全性能高；用高分子材料和无机材料制成复合膜，能将电池的能量损耗降到5%以下。

如果将这种电池用于手机，同样大小的电池至少能将手机通话时间延长一倍，成本则不足原有的一半；用于汽车同样如此，对环境构成的污染也比现有锂电池小得多。

在水性电解液，它们的氧化还原电位的差异是非常大的，它们的组合将建立一个可再充电的电池系统的概略结构的组装的水可再充电锂的电池（ARLB）使用的被覆的锂金属作为阳极和锰酸锂作为阴极，其CV曲线的扫描速度为0.1mV/s,有两对氧化还原峰，分别位于4.14/3.80和4.28/3.93V。从上面的图中，氧化还原反应如下所示：在充电过程中，只有一个在阳极反应。Li+离子从水性电解液运输通过被覆层，减少在锂金属表面和沉积Li金属。在阴极上进行两种反应：Li+的阳离子去地嵌入从四面体8a的和八面体16c的站点，随后，造成两对氧化还原峰，和有机电解质的行为类似。在放电过程中，反向的过程发生。因此，在我们的ARLB的CV曲线有两对氧化还原峰。这表明，我们上面的电池化学涂层的锂金属，0.5mol.L-1Li2SO4/LiMn2O4可以在水性电解液的可充电电池平均输出电压高于3.8V，远高于水的理论分解电压，即1.229V。

水锂电池

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图3：（一）示意图我们设计的可再充电锂水溶液的电池（ARLB）使用的被覆的锂金属作为阳极，锰酸锂作为阴极和0.5mol.L-1Li2SO4水溶液作电解质，及（b）简历ARLB的扫描速率为0.1mVs-1的。的电势变化的Li+离子在我们设计ARLB的是，在图4中所示。锂金属具有最低的氧化还原电位，-3.05V（相对于标准氢电极，SHE），并迅速与水反应，产生氢气和LiOH。此外，锂金属的电位是远低于析氢，氢将容易地生产。然而，在我们的例子中，的涂层锂金属是很稳定，在水溶液电解质和有没有析氢。主要的原因是，Li+离子可以跨越通过涂层的析氢的电势范围内，并直接到达的锂金属。此交叉的是类似的小区membrane24两侧之间的电势变化。在涂层中Li+离子的电位的急剧减小从正到负。Li+离子的外侧的涂层有更高的电势，是非常稳定的。Li+离子在涂层内部不与水接触，不能给电子原子李导致生产氢的水。顺便说一下，水和质子无法进入内部的涂层，它们无法到达足够的低电位来生产氢气。至于LiMn2O4正极，它是稳定的，因为它的潜力是在水中下面，对氧的演化和远高于析氢。

水锂电池

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图4：LiMn2O4在电解液和被覆的锂金属之间的移动过程中Li+离子的电位的示意图。

在图5中所示的在3.7和4.25V之间的ARLB的电化学性能。在恒流充的ARLB曲线在电流密度为100毫安克-1有两个不同的电压在4.04和4.18V.高原在放电过程中的锰酸锂的质量的基础上，两个电压高原出现在4.07和3.94的V，分别。这是两对夫妇以上的CV曲线中观察到的氧化还原峰，与脱嵌Li+离子进入尖晶石锰酸锂的嵌入和良好的协议。约为4.0V，0.2V高于那些基于LiMn2O4的阴极和石墨碳阳极的锂离子电池的平均放电电压。放电和充电电压的基础上，将能源效率在95%以上，高于那些为锂离子电池（约90%）和其他的电池systems12，22，25。此电池的初始充放电容量根据锰酸锂的质量上的130和115毫安克-1，分别与初始库仑效率是88.5%。这些值是那些在有机electrolyte7类似。的能力远高于-solution12基于新的液体阴极。当然，在使用有机电解质的锂离子电池，锰酸锂应掺杂或涂层，以确保其良好的循环performance26，其可逆容量是110毫安克-1以下。这里LiMn2O4的不需要掺杂或coating16，17，而实际上是高于在有机电解质中的锰酸锂的比容量在ARLB。

水锂电池

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图5：我们的设计ARLB的电化学性能，在电流密度为100毫安G-13.7和4.25V之间的质量锰酸锂的基础上：（一）恒电流充放电曲线在第一个周期及（b）骑自行车的行为。

Li金属阳极和LiMn2O4正极的放电电压和容量的基础上，根据电极材料的总质量的ARLB放电能量密度是446瓦时千克-1，远高于比以前报道ARLBs那些（30-45瓦千克-1）14，15，16，17，18，19，20，21。当然，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离子电池的制造技术的基础上，可以作出几乎available7，14，这意味着实际能量密度是220瓦时千克-1以上，高于约80%，相应的李离子电池的电动车辆（120瓦时千克-1为C/有机electrolyte/LiMn2O4）6，7。这种高能量密度表示，纯电动汽车一次充电可以跑200-400公里。

循环期间，在电流密度为100毫安克-1根据库仑的ARLB效率几乎是100%除第一周期中，这是用于锂离子电池的类似的质量上的LiMn2O4。这种高库仑效率也表明，水是非常稳定的，有没有明显的副反应的质子或水。30个完整的周期后，其放电容量仍保持十分稳定，在周围115毫安G-1，这意味着没有明显的发生在第30次循环的容量衰减。这表明，这种电池的化学反应的循环性能是非常优秀的，这是类似的LiMn2O4在传统的ARLBs（见图S4A支持信息：200次循环后容量衰减没有明显的这锰酸锂正极）。在后者的情况下，锰酸锂可以保留10000完整的周期，这是优于其他种充电batteries16，17的后93%的容量。的高分子电解质的Li金属，可以缓冲的体积变化，在溶解过程中，化学镀，以确保其良好的与涂层接触。这也是很重要的，以获得优良的循环性能。

水锂电池

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在传统的锂金属二次电池，锂金属作为负极材料的使用受到限制，主要是锂枝晶的安全问题，因为他形成在反复的充放电过程中导致短路。在我们的设计中，如在图1中示出，锂金属涂敷由GPE和LISICON膜。将抑制锂枝晶的形成在GPE27由于其较高的粘度比的有机液体电解质。即使当锂枝晶形成，它们不能生长通过LISICONfilm11，12，22。其结果是，Li金属阳极的安全性和循环性能得以确保。

水电解质在此ARLB系统，具有高的热容量，并能吸收大量的热量。在相同的充电和放电过程中，该系统的温度要低得多，比常规的锂离子电池。此外，水或含水电解质与Li金属阳极和LiMn2O4正极两者直接接触，并且冷却效果将是非常有效的。冷却系统，这是通常所需的大容量电池模块，无需为在电动汽车中的应用。当与传统的锂离子电池相比，大大提高安全性和可靠性。