劉鳴華

(國(guó)家納米科學(xué)中心，北京100190)

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高性能水系混合離子電池：不斷超越的工作電壓

劉鳴華

(國(guó)家納米科學(xué)中心，北京100190)

［Highlight］

www.whxb.pku.edu.cn

采用有機(jī)電解質(zhì)的鋰離子電池具有3 V以上的寬電化學(xué)窗口，因而比水系離子電池具有更高的能量密度。然而，有機(jī)電解質(zhì)易燃、有毒，如果使用不恰當(dāng)，會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的安全及環(huán)境問(wèn)題，制約了鋰離子電池在規(guī)模儲(chǔ)能中的應(yīng)用。研究者們一直在試圖用水系電解質(zhì)代替有機(jī)電解質(zhì)。相對(duì)而言，水系電解質(zhì)環(huán)境友好和安全，且其離子電導(dǎo)率比有機(jī)電解質(zhì)高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，有望實(shí)現(xiàn)電池的高功率，還避免了有機(jī)電解質(zhì)所需的嚴(yán)格制造條件，大大降低了生產(chǎn)成本。因此，水系離子電池在電網(wǎng)級(jí)別的大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域中具有重要應(yīng)用前景。然而，水系離子電池的工作電壓相對(duì)較低(一般低于1.5 V)，因而能量密度難于提高，制約了水系離子電池的發(fā)展。發(fā)展新概念和新理論構(gòu)建高電壓水系離子電池是非常有必要的。

近期中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所劉兆平、陳亮等發(fā)現(xiàn)一種新型高電壓水系混合離子電池正極材料普魯士藍(lán)化合物InHCF，并與磷酸鈦鈉NaTi2(PO4)3負(fù)極配對(duì)構(gòu)建出工作電壓達(dá)1.6 V、能量密度為56 Wh·kg－1、功率密度超2700 W· kg－1的水系電池，相關(guān)研究成果發(fā)表在Nature Communications上1。

該課題組長(zhǎng)期致力于水系離子電池的研究。2013年他們提出了“M+/N+混合離子”的新概念，構(gòu)建了工作電壓為1 V水系鋰鈉混合離子電池TiP2O7/Na0.44MnO22。隨后，他們利用普魯士藍(lán)化合物Ni1Zn1HCF為正極，焦磷酸鈦TiP2O7和磷酸鈦鈉NaTi2(PO4)3為負(fù)極，混合堿金屬離子水溶液為電解質(zhì)，構(gòu)建了工作電壓超1.2 V的水系混合離子電池3。如今他們進(jìn)一步突破，實(shí)現(xiàn)了1.6 V的水系混合離子電池1。研究表明在這一新型電池中，開(kāi)放框架結(jié)構(gòu)InHCF的離子共嵌性是實(shí)現(xiàn)電池工作的基礎(chǔ)。此外，他們發(fā)現(xiàn)對(duì)于鋰/鈉離子，水分子可提高其嵌/脫電位并降低其嵌脫反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)；對(duì)于鉀離子，水分子則不參加嵌脫反應(yīng)。值得一提的是，以往關(guān)于離子嵌脫反應(yīng)的研究主要集中在單一離子本身，溶劑分子作用往往被忽略，而該項(xiàng)研究表明溶劑分子如水分子極有可能參與離子嵌脫反應(yīng)，為理解離子嵌入型化合物提供了新思維。

References

(1)Chen,L.;Shao,H.Z.;Zhou,X.F.;Liu,G.Q.;Jiang,J.;Liu,Z. P.Nat.Commun.2016,7,11982.doi:10.1038/ncomms11982

(2)Chen,L.;Gu,Q.W.;Zhou,X.F.;Lee,S.X.;Xia,Y.G.;Liu,Z. P.Sci.Rep.2013,3,1946.doi:10.1038/srep01946

(3)Chen,L.;Zhang,L.Y.;Zhou,X.F.;Liu,Z.P.ChemSusChem 2014,7(8),2295.doi:10.1002/cssc.201402084

10.3866/PKU.WHXB201607211