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2024-03-08 03:29:12

水溶液锂电池体系_百度百科

电池体系_百度百科网页新闻贴吧知道网盘图片视频地图文库资讯采购百科百度首页登录注册进入词条全站搜索帮助首页秒懂百科特色百科知识专题加入百科百科团队权威合作下载百科APP个人中心收藏查看我的收藏0有用+10水溶液锂电池体系播报讨论上传视频工学术语水溶液锂电池体系，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。中文名水溶液锂电池体系研究者复旦大学教授吴宇平刊发于《科学报道》发生时间2013年3月目录1基本介绍2特点介绍3工作原理4发展前景5安全性6最新进展基本介绍播报编辑研究成果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220 Wh/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。 [1]特点介绍播报编辑title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。工作原理播报编辑水锂电池在水性电解液，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0.1 mV/s,有两对氧化还原峰，分别位于4.14/3.80和4.28/3.93 V。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-1 Li2SO4/LiMn2O4可以在水性电解液的可充电电池平均输出电压高于3.8 V，远高于水的理论分解电压，即1.229 V。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-1 Li2SO4水溶液作电解质，及（b）简历ARLB的扫描速率为0.1 mV s-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，-3.05 V（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。水锂电池在图5中所示的在3.7和4.25 V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4.18 V.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4.0 V，0.2 V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。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4.25 V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。水锂电池循环期间，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。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LISICON film11，12，22。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。发展前景播报编辑水锂电是当今锂电池研发的前沿和方向之一，它是用普通的水溶液来替换传统锂电池中的有机电解质溶液。在大型储能系统中，用传统方法制造的锂电池成本高，对生产条件要求高，还存在较大的安全隐患。而水溶液安全性能高，不会起火，离子导电率高，且成本也低，水锂电已经成为下一代大型储能电池发展的优选方向。 [1]目前，相继投放市场的新能源电动车尽管有牌照免费、经费补贴等优惠政策，但是要打开市场，却很艰难。关键的原因之一就是电池还不够给力。很多市民都担心新能源车的续航里程。“万一车开出去开不回来怎么办?”成为老百姓购买新能源电动车的最大担忧。此次，由吴教授团队开发的新型水锂电池体系采用复合膜包裹金属锂，以水溶液为电解质，可大幅降低电池的成本，提高其能量密度，从而使电池充电时间更短，储存电量更多，耐用时间更久。记者了解到，现在市面上售卖的电动汽车出行距离为150-180公里，而装备这一新型水锂电的电动汽车，它的行驶距离有望达到400公里。最值得一提的是，目前市面上电动汽车的充电时间需要8个小时，而装备这一新型水锂电的电动汽车一次充电只需要10秒钟左右。此外，新型水锂电的制造成本也只有目前市面上电动汽车锂电池的一半价格。这样一来，电动汽车和普通汽车在性能上的差异不再明显。其环保优势将更具市场吸引力。“这种新型水锂电池一旦产业化后，将能彻底解决目前新能源电动车存在的安全隐患、成本高、行驶里程短等三大制约其产业发展的主要难题。”吴教授说。吴教授告诉记者，这一成果经《自然》杂志子刊《科学报道》上刊发后，短短几天，已经有美国新能源汽车开发的相关机构发出合作请求，但复旦方作为拥有原创知识产权方，更希望寻求与国内企业合作，尽快将这一成果在国内运用，推动新能源车产业的加速发展，同时为治理空气污染减少PM2.5颗粒物的排放发挥积极作用。据介绍，新型水锂电还可以广泛运用于手机、笔记本电脑、大型制造设备等领域。和传统锂电池相比，它的另一个显著的优势是不容易发烫发热，大大降低了安全隐患。如果这项技术成果是真实的话，那么它将给全球无数的企业带来致命的重创（石油产品首当其冲），因为这项技术的诞生、就意味着 [1]所有能替代的产品企业全部倒闭或破产！安全性播报编辑新型水锂电池安全不易爆炸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。最新进展播报编辑锂电池又多了一个研究方向。复旦大学新能源与材料实验室教授吴宇平介绍，目前水锂电已经做出模拟电池，但容量还很小。水锂电是当今锂电池研发的前沿和方向之一，核心问题是如何防止锂离子和水在低电位发生反应，陶瓷隔膜成为技术上的关键。理论上，水锂电能量密度大，能量效率高达95%，装备水锂电的电动汽车满电状态下的行驶距离可达400公里，而充电时间很短。此外，水锂电在使用中不易发烫发热，安全性能更高。分析认为，该项技术提高了能量密度，有望解决目前电动汽车电池成本高、续航能力短、充电时间长等问题。不过，该技术研发目前只是在原理上实现了突破，在实验室得到了验证，而且，目前研制出的电池容量太小，只有大容量电池研发成功才具有实质性意义。 [2]新手上路成长任务编辑入门编辑规则本人编辑我有疑问内容质疑在线客服官方贴吧意见反馈投诉建议举报不良信息未通过词条申诉投诉侵权信息封禁查询与解封©2024 Baidu 使用百度前必读 | 百科协议 | 隐私政策 | 百度百科合作平台 | 京ICP证030173号京公网安备110000020000

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再也不怕起火爆炸！水电池有望5年内取代锂离子电池，比特斯拉电池还优秀【附动力锂电池技术路线发展观察】

2024年03月06日 14:00

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图源：可回收“水电池”近期，由皇家墨尔本理工大学领导的一个由研究人员和行业合作者组成的全球团队发明了不会着火或爆炸的可回收“水电池”。首席研究员马天一教授表示，他们的电池处于水储能设备新兴领域的前沿，取得的突破显著提高了该技术的性能和使用寿命。“我们设计和制造的产品被称为水性金属离子电池，或者我们可以称之为水电池。”该团队使用水代替有机电解质，这使得电流能够在正极和负极端子之间流动，这意味着他们的电池不会起火或爆炸，这与锂离子电池不同。据悉，研究团队目前已经开发出用于钟表的硬币大小的水基电池原型，以及类似于AA或AAA电池的圆柱形电池。电池通过产生从电池的正极（阴极）到负极（阳极）的电子流来储存能量。当电子向相反方向流动时，它们会消耗能量，电池中的液体是用来在两端之间来回传递电子的。马天一教授指出，该电池可以安全拆卸，材料可以重复使用或回收，以应对全球消费者、行业和政府面临的报废处理挑战。值得注意的是，在水电池中，电解液是加了一些盐的水，而不是硫酸或锂盐之类的东西。这也意味着水电池制造过程的简单性，这有助于降低制造成本，降低对人类健康和环境的风险。目前，这种电池的使用寿命与市场上的锂离子电池相当，能量密度约为每公斤75瓦时，约为最新款特斯拉汽车电池的30%，未来通过开发新型纳米材料作为电极还有望再次提高能量密度。科学家表示，短期1到3年内有望替代铅酸电池，5到10年内有望取代锂离子电池。回顾动力锂电池细分技术路线发展：锂离子电池安全问题是锂离子电池技术发展的痛点之一。锂离子电池安全问题的根源主要是电池的热失控。主要是由于锂离子电池内部具有很强的燃爆条件，其内部的易燃性材料如低熔点可燃有机脂类化合物、石墨负极材料都会成为相应的“燃料”，在充放电以及运行过程中不当的热管理将成为锂电池安全事故的导火索，最终引发燃爆事故。动力锂电池细分技术路线发展情况目前，动力锂电池技术路线呈现多样化的特点。根据正极材料的不同，主流动力锂电池技术路线可分为三元锂电池、磷酸铁锂电池;根据封装方式的不同，动力锂电池技术路线可分为软包、方形和圆柱;根据电解质的不同，动力锂电池技术路线可分为液态电池、固态电池。按电解质的不同，锂电池可分为液态锂电池和固态锂电池。固态锂电池和传统的锂电池最主要的区别在于固态电池电解质为固态，相当于锂离子迁移的场所转到了固态的电解质中。固态电池的优势主要有能量密度较高、热稳定性较好等。高能量密度及低成本是未来发展趋势从技术发展趋势来看，未来动力锂电池正极材料技术研发趋势朝三元电池高镍去钴和磷酸锰铁锂这两个方向发展，封装方式朝软包方向发展、电解液超固态电池发展是长期趋势。整体来看，动力锂电池发展趋势聚焦高能量密度和低成本这两点，三元电池高镍去钴是为了降低动力锂电池生产成本，磷酸锰铁锂、固态电池和软包适配固态电池是为了提升动力锂电池能量密度。前瞻经济学人APP资讯组更多本行业研究分析详见前瞻产业研究院《中国动力锂电池行业市场需求预测与投资战略规划分析报告》同时前瞻产业研究院还提供产业大数据、产业研究报告、产业规划、园区规划、产业招商、产业图谱、智慧招商系统、行业地位证明、IPO咨询/募投可研、IPO工作底稿咨询等解决方案。在招股说明书、公司年度报告等任何公开信息披露中引用本篇文章内容，需要获取前瞻产业研究院的正规授权。更多深度行业分析尽在【前瞻经济学人APP】，还可以与500+经济学家/资深行业研究员交流互动。

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水系锂电池获关键突破，能量密度超 300Wh/kg，或成电池发展未来 - 知乎

水系锂电池获关键突破，能量密度超 300Wh/kg，或成电池发展未来 - 知乎首发于DeepTech深科技切换模式写文章登录/注册水系锂电池获关键突破，能量密度超 300Wh/kg，或成电池发展未来DeepTech深科技科技话题下的优秀答主更安全、经济、能量密度更高的水系锂离子电池研究迎来重要突破，在最新的研究进展中，马里兰大学化学与生物分子工程系终身教授王春生 (Robert Franklin and Frances Riggs Wright Distinguished Chair) 的团队的杨重寅博士，陈骥博士利用卤族元素（溴、氯）+石墨开发出一种与传统锂电池完全不同的正极材料，造出能量密度最高达到 304Wh/kg 的水系锂离子电池，同时该电池在安全性、经济性上比目前常见的锂离子电池有明显优势。该正极材料的能量密度是如今商用钴酸锂正极的 1.5-2 倍左右。搭配上石墨负极，高安全性水系电解质，电池能量密度最高达到 304Wh/kg(含电解液)，相当甚至高于目前商用锂离子电池的能量密度。该成果于近日发表在了 Nature 上，论文第一作者为马里兰大学化学与生物分子工程系研究员杨重寅、陈骥。图 | 杨重寅（左）手中为电池的石墨电极，陈骥（右）手中为新型正极材料、WiS水基电解液（来源：采访对象提供）目前，团队已经利用这一技术在实验室内造出了小型的纽扣电池，并与法国电池制造商 Saft 达成了合作，有望在不久的将来实现商用化。安全、经济的水系锂离子电池电池安全事关大众消费者的人身、财产安全，一直都是一个焦点问题。电池不安全的常见表现是热失控，在内部短路、大电流充/放电、过充电等情况下，电池内部产生大量热量，达到较高温度后，存在发生燃烧、爆炸的风险。如今，较为成熟、广泛使用的锂离子电池都属于有机锂离子电池，即电池中的电解质均为高度易燃的有机溶液。这就导致溶液容易在热失控的情况下起火甚至爆炸。同时，提高电池的能量密度则会在一定程度上进一步增加热失控的可能性，降低电池的安全性，这也是锂电池发展的瓶颈所在。图 | 电动车起火烧毁（来源：麻省理工科技评论）水系锂离子电池概念最早在 1994 年由加拿大著名锂电池科学家 J. R. Dahn 提出，水系锂离子电池的最大特点即电池的电解质不是有机溶液而是水溶液，由于水溶液不可燃，甚至还有很强的阻燃性，因此明显更加安全。在性能表现上，水系锂离子电池的电导率比有机体系高 1-2 个数量级，因此功率更好；此外，水系锂离子电池的成本更低、污染更小。但与此同时，水系锂离子电池的问题也非常突出，在此前研究中，由于纯水本身的分解电压低（1.23V），所以此前的水系锂离子电池稳定工作电压甚至难以突破 2V，但我们日常使用的电池工作电压通常在 3-4V。因此，水系锂电池尚无法满足日常使用对能量密度的要求，这也是传统锂电池无法摆脱有机电解质的关键原因。早在 2015 年，王春生团队和美国陆军实验室合作提出了“water-in-salt”高电压窗口水系电解液（简称 WiSE），这种电解液能够有效地降低水的活性并在工作时在负极周围生成保护性固体屏障，阻止水被电解成氢气、氧气。这项研究将电池中的水溶液的氧化还原电位窗口提升到了 3 V 左右。这一结果意味着水系锂离子电池研究的突破了关键的电压限制。该成果发表在 Science 杂志上。到 2017 年，王春生团队发明了一种新型的负极保护策略，使得原本的水系电解液窗口拓宽到了 4 V 以上。接下来的研究工作，就是找到与 WiSE 匹配的正极、负极材料来进一步提高能量密度。在最新的研究中，团队开发了一种完全不同于传统锂电池正极材料，并且匹配了高安全性的水系电解液。这一关键成果近期发表在 Nature 杂志上。至此，王春生团队在电解质、正极、负极材料上均实现了突破，并组装出工作电压在 4V 以上的高压水系锂离子电池系统。具体来说，这种新型正极材料突破了原有正极材料依赖过渡金属元素的固有思路，使用了溴和氯元素承担氧化还原的过程。而电解质中的高浓度锂盐可有效阻止溴、氯离子到处移动，将它们锁定在电极周围的固体盐颗粒中，免受水系电解质的影响。图 | 该电池的充放电反应（来源：该研究论文）在给电池充电时，正极中水合的溴离子和氯离子发生氧化反应，放出电子，氧化成溴、氯原子，并嵌入石墨正极的碳层之间，形成一层牢牢的固体。另一边，带正电荷的锂离子通过水系电解质到达负极，与通过外部电流到达的电子发生还原反应，并嵌入石墨负极的碳层之间，充电完成。之后，电池放电过程中，石墨负极的碳层之间的金属锂释放电子，变成锂离子。同时电子也在放电过程中，通过外部电路从负极到达正极，溴、氯原子得到电子，分别变成溴离子和氯离子。此时，water-in-salt 电解质阻挡住流动的溴和氯离子移动，重新在正极内生成固体盐颗粒，直到下一轮充电。正极材料：决定锂电池性能的关键一环一个常见的锂电池一般包括了正极材料、负极材料、电解质、隔膜和电池外壳。正极、负极和电解质都是电池的关键部分。而正极材料是限制锂离子电池能量密度的关键环节。简单来说，作为一个整体的系统，电池的能量密度与正极、负极、电解液都是相关的，而且正极材料是这三者中的短板。如常用作负极的石墨电极，其容量在很早以前就达到了 350Wh/kg。但对正极材料来说，即使是目前较前沿的 NCM811，容量也仅在 200Wh/kg 左右。对锂离子电池来说，目前常见的做法都是用过渡金属氧化物作为正极材料。杨重寅介绍道，这种过渡金属氧化物通常是呈层状结构，或是有孔道的结构，能够保证让锂离子自由进出的过程中结构不会崩塌。但问题在于，金属氧化物骨架本身重量很大，且这一部分本身并不能提供容量，这就变相降低了电池的能量密度。第二种是依赖硫、氧等阴离子变价的转换反应的正极（如锂硫电池，锂空气电池中的硫和空气电极），由于它们的材料重量非常小，因此能得到的理论容量非常高，但是缺点在于缺乏固定的结构骨架，因此可逆性相对较差，无法保证电池的循环使用寿命。而该团队则提出了在正极材料中使用卤族元素（包括溴、氯），其电位比氧族元素更高。但这么做的问题之一，就是如溴、氯等元素在氧化之后形成液态、气态的单质，这对电池直接使用带来很大的麻烦。为了解决这个问题，团队采用了一种全新的思路，就是用石墨来固定被氧化后的活性物质。这种方法就结合了两种传统正极材料的优点，既利用了卤素阴离子氧化还原的高容量和高电压，又利用了卤素单质易于可逆地插入/脱出石墨层间的特性，提高了稳定性。实验表明，这种正极材料的理论容量能够高于传统的过渡金属氧化物。论文显示，该电池的正极能量密度达到了 970Wh/kg，这个数字几乎是商用的过渡金属插层正极钴酸锂的两倍。算上正极、负极以及电解质总质量之后，该水系全电池的能量密度约为 304Wh/kg，相当甚至高于目前商用锂离子电池的能量密度。图 | 电池的正极材料（LBC-G）能量密度达到了 970Wh/kg（来源：该研究论文）当然，这项技术还未能马上投入使用。陈骥向 DeepTech 表示，这项研究还处在早期的概念验证阶段，目前团队已经利用这项技术在实验室内做出了体积较小的纽扣电池。在投入实际使用前，还有大量的后续工作需要进行，比如，石墨材料在水溶液中的稳定性还需要进一步提高，才能满足电池的商用要求，这些都需要进一步的验证和优化。与此同时，将技术投入产业化的工作已经开启。杨重寅表示，目前正在与法国电池制造商 Saft 合作，团队负责提供技术，而 Saft 则负责将该电池技术放大，造出较大的电池原型。此外，除了完善水系锂离子电池的工作性能，杨重寅还正在探索将这种正极材料运用在固态电池以及非水系锂离子电池上的可能性。电池研究的未来方向随着近年来以汽车行业为代表的电动化趋势明显，电池研究获得了相当广泛的关注。目前，除了传统的锂电池，固态电池和水系锂离子电池也都掀起了研究热潮。其中，高能量密度、高安全性是电池研究的两大关键因素，如何在保障安全性的基础之上，提高能量密度是学界和业界的共同追求。图 | 特斯拉 Model S 电池示意图（来源：Bloomberg）对锂电池的未来发展，王春生认为，目前的有机体系已经发展到了明显的瓶颈阶段，即在提高能量密度的时候，难以保证很好的安全性。因此，在提高能量密度的同时，不损失安全性是电池研究的必然方向。这便是固态电池和水系锂离子电池的潜力所在。王春生认为，这两个方向都有非常大的前景和希望，同时也有各自需要解决的问题。他表示，目前有机体系的电池在稳定性方面已经做的非常成熟，这也是水系锂离子电池和固态电池需要克服的技术难题。在现阶段，固态电池和水系锂离子电池之间的优劣还难下定论，不过可以肯定是，只要有所突破，必然能够在部分使用场景下，成为比传统锂离子电池的更好选择。再考虑到这两条技术路线已经吸引了大量的研究者和研究经费，相信关键突破将会很快到来。参考：发布于 2019-06-10 16:58电池赞同 15561 条评论分享喜欢收藏申请转载文章被以下专栏收录DeepTech深科技麻省理工科技评论独

高电压水系锂离子储能电池取得系列研究进展 - 中国科学院物理研究所

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中国科学院物理研究所

北京凝聚态物理国家研究中心

HE-E01组供稿

第86期

2022年11月01日

高电压水系锂离子储能电池取得系列研究进展

　　水系锂离子电池由于其低成本、环境友好、本质安全，被认为是大规模储能的理想选择。然而由于水系电解液电化学窗口窄导致水系电池输出电压和能量密度低，循环寿命差等问题使得其用于规模储能技术经济性不高。近年来中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心怀柔研究部HE-E01组，北京清洁能源前沿研究中心索鎏敏小组围绕宽电位水系电解液构建高电压水系锂离子储能电池。近日在宽电位水系电解液相关基础科学问题与高电压水系锂离子电池应用化技术方面展开了深入研究取得了一系列重要研究进展。

　　（1）针对现有高盐浓度Water-in-Salt电解液会成本高、动力学性能差、低温性能差等问题，博士研究生周安行在索鎏敏研究员的指导下，发现只需要在水系电解液中加入少量的含有疏水阳离子的添加剂，即可将水系电解液所需的锂盐减少一半，而且拥有与高浓度水系电解液相近的电化学窗口（3.23 V）。这些现象归因于所添加的阳离子能够形成电场增强的阳离子分子筛，从而阻止水分子在负极界面发生析氢反应。同时，降低水系电解液的浓度能为水系锂离子电池带来诸多好处，包括低成本、低粘度、高的离子电导率等。在理论上，锂离子溶剂化第一层壳层中的水分子数量是4，如果仅仅考虑通过锂离子的溶剂化作用降低水分子的活性，那么锂与水分子的摩尔比为1:4即可，此时对应的锂盐浓度为13.8 m，定义13.8 m LiTFSI 为合理浓度电解液（ACE）。为了尽可能的减少水分子接触到负极界面从而发生反应，我们往ACE中引入了一定量的三氟甲磺酸四乙铵（TEAOTF），在电场的作用下，TEA+大阳离子会聚集在负极的界面，形成疏水阳离子分子筛（HCS），并且由于TEA+阳离子具有较大的半径和较弱的水合能力，能够阻挡水分子在负极界面发生反应，从而创造一个难以发生析氢反应的化学环境（图1a-b）。同时，通过分子动力学模拟的计算，在不同的电极极化下，TEA+阳离子都能够进入负极界面，使得界面水减少40%–50%，并且电极电势越负，HCS占据空间越大，水占据空间越小，呈现出一个电场增强的趋势（图1c-g）。在电场增强的HCS的作用下，带有HCS-ACE的水系锂离子电池具有更好的电化学性能（图2a-b），由于电解液浓度降低，相比于带有高浓度电解液的水系锂离子电池具有更好的倍率性能于低温性能（图2c-d）。该工作以“An Electric-Field-Reinforced Hydrophobic Cationic Sieve Lowers the Concentration Threshold of Water-In-Salt Electrolytes”为题发表在Advanced Materials上（https://doi.org/10.1002/adma.202207040）。

图1. (a)没有HCS的负极界面结构。(b)含有HCS的分子动力学模拟结果，以及含有HCS的负极界面结构。在0 V (c) 和-1.5 V(d) 时水分子（顶部），阳离子（中间），阴离子（底部）的数密度图。(e)在HCS-ACE和ACE两个系统中，负极界面水分子电吸附的情况。(f）在HCS-ACE系统中TEA+阳离子电吸附的情况。g)在负极界面水分子二维分布的情况，白色轮廓代表TEA+的位置。

图2. (a) 不同电解液下mAh级别软包电池的首周充放电曲线，库伦效率以及能量密度（HCS-ACE与ACE）。 (b) mAh级别的软包电池在ACE和HCS-ACE电解液下的循环性能。(c) HCS-ACE与高浓度水系电解液的全电池低温性能对比。(d）HCS-ACE与高浓度水系电解液的倍率性能对比。

　　（2）针对水系锂离子电池为了弥补不可逆消耗，保持循环寿命普遍应用过量的正极材料，导致正负极活性物质比例 (P/N比)居高不下，从而降低了全电池的能量密度，增加了全电池的电极成本问题，博士研究生吕天莳在索鎏敏研究员的指导下采用比容量更高的预锂化添加剂代替正极材料弥补首周不可逆损耗，可以有效提升全电池的能量密度。鉴于有机电池中的预锂化添加剂普遍具有高活性，易溶于水或与水直接发生反应，需要特殊设计以筛选符合水系锂离子电池要求的水系预锂化添加剂。索鎏敏研究员指导博士研究生吕天莳采用了将过渡金属单质作为水系锂离子电池预锂化添加剂的新思路 (图3)。通过锰预锂化添加剂被电化学氧化成锰离子进入电解液，为负极发生的析氢副反应和SEI形成反应提供了容量。此后，添加剂以离子形式存在于电解质中，不会影响电池的正常运转。在软包电池中，混合有锰金属预锂化添加剂的水系锂离子电池在接近1的低P/N比的情况下，循环性能比相同P/N比的对照组更加优异，能量密度比高P/N比(1.5)组提升了20%，总电极成本降低了25%.该工作以“Transition Metal Assisting Pre-Lithiation Reduces the P/N Ratio to Balance the Energy Density and Cycle Life of Aqueous Batteries”为题发表在Advanced Energy Materials 上（https://doi.org/10.1002/aenm.202202447）。

图3. (a)含有锰预锂化添加剂的全电池和对照组全电池的首周充放电曲线及软包电池实物图。(b)含有锰预锂化添加剂的全电池和对照组全电池的循环性能。(c) 锰预锂化添加剂在水系电池体系LiMn2O4||TiO2首周循环中的预锂化原理。

　　（3）针对于目前可应用于水系锂离子电池负极材料的高工作电位和低可逆容量，导致水系锂电的能量密度的进一步提升非常困难，从而严重阻碍了其商业化进程问题，博士研究生朱祥振在索鎏敏研究员的指导下开发了一类具有Wadsley-Roth相结构的铌基氧化物负极材料，利用其在水中不易溶解、晶体结构稳定、工作电位适于目前水系电解液窗口以及可逆比容量高的特点，优选了代表性的具有3×4×∞ 剪切Wadsley-Roth相结构的Zn2Nb34O87负极与不同正极组装成全电池验证其在不同水系电解液中的电化学性能，其中在80m WiBS电解液中NCM811//Zn2Nb34O87水系全电池实现了191.5 Wh/kg的高能量密度（基于正负极活性材料计算），远高于已报道的可稳定工作的水系锂离子电池的能量密度。此外，作者根据Wadsley-Roth结构空旷适合锂离子快速嵌入/脱出以及嵌锂电位为斜坡的特点，通过调节正负极材料的N/P控制负极的嵌锂量，实现了LiMn2O4//Zn2Nb34O87水系全电池在经典的21m LiTFSI WiS电解液中稳定工作，摆脱了超高浓盐电解液的高粘度和低离子电导率的限制后，使得Zn2Nb34O87的高离子输运和高结构稳定性的特点充分地发挥，并且实现了16489 W/kg（100C）的高功率密度以及在此高功率工作时30Wh/kg的能量密度输出。鉴于Zn2Nb34O87是由简单的固相烧结法合成，有利于规模生产与应用, 手工单层软包电池仍表现出了出色的电化学性能，预示了Wadsley-Roth相结构的铌基氧化物材料的大规模应用的潜力 (图4)。本工作为高功率和高能量水系锂离子电池的进一步发展提供了新的思路。该工作以题为“Wadsley-Roth Phase Niobium-based Oxides Anode Promising High Power and Energy Density Aqueous Li-ion Batteries” 发表在ACS Materials Letters上（https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.2c00462）。

图4. 33 mAh容量LiMn2O4//Zn2Nb34O87软包电池电化学性能

　　以上相关研究工作得到了国家自然科学基金（51872322），中科院物理所长三角物理研究中心科学家工作室项目，北京市清洁能源材料测试诊断与研发平台和北京清洁能源前沿研究中心的支持。

ACS Materials Letter-2022-Zhu-Wadsley-Roth Phase Niobium-Based Oxide.pdfAdvanced Energy Materials - 2022 - Lv - Transition Metal Assisting Pre‐Lithiation Reduces the P N Ratio to Balance the.pdfAdvanced Materials - 2022 - Zhou - An Electric‐Field‐Reinforced Hydrophobic Cationic Sieve Lowers the Concentration.pdf

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估算续航400km，需要的电池容量约为800ah，500v.按照一小时充满电计算就要用800a的电流，如果一分钟的话就需要48000安培的电流，

如果6秒钟充满电的话就需要480000安培的电流，48万安培，什么概念，家庭用电一般在16a，这个相当于3万个家庭同时用电，你让电力公司情何以

堪，这得使用什么样的导线才能通过48万安培的电流。发布于 2013-03-15 08:30赞同 116 条评论分享收藏喜欢

再也不怕起火爆炸!水电池有望5年内取代锂离子电池_电力网

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再也不怕起火爆炸!水电池有望5年内取代锂离子电池

中国电力网

2024-03-06

来源：前瞻网浏览：

　　近期，由皇家墨尔本理工大学领导的一个由研究人员和行业合作者组成的全球团队发明了不会着火或爆炸的可回收 " 水电池 "。

　　首席研究员马天一教授表示，他们的电池处于水储能设备新兴领域的前沿，取得的突破显著提高了该技术的性能和使用寿命。" 我们设计和制造的产品被称为水性金属离子电池，或者我们可以称之为水电池。"该团队使用水代替有机电解质，这使得电流能够在正极和负极端子之间流动，这意味着他们的电池不会起火或爆炸，这与锂离子电池不同。

图源：可回收 " 水电池 "

　　据悉，研究团队目前已经开发出用于钟表的硬币大小的水基电池原型，以及类似于 AA 或 AAA 电池的圆柱形电池。电池通过产生从电池的正极(阴极)到负极(阳极)的电子流来储存能量。当电子向相反方向流动时，它们会消耗能量，电池中的液体是用来在两端之间来回传递电子的。

　　马天一教授指出，该电池可以安全拆卸，材料可以重复使用或回收，以应对全球消费者、行业和政府面临的报废处理挑战。值得注意的是，在水电池中，电解液是加了一些盐的水，而不是硫酸或锂盐之类的东西。这也意味着水电池制造过程的简单性，这有助于降低制造成本，降低对人类健康和环境的风险。

　　目前，这种电池的使用寿命与市场上的锂离子电池相当，能量密度约为每公斤 75 瓦时，约为最新款特斯拉汽车电池的 30%，未来通过开发新型纳米材料作为电极还有望再次提高能量密度。科学家表示，短期 1 到 3 年内有望替代铅酸电池，5 到 10 年内有望取代锂离子电池。

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师徒三年磨一剑，西湖大学水系电池研究取得重要进展

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2022年02月23日

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张弛邮箱: zhangchi@westlake.edu.cn 电话: +86-(0)571-86886861 公共事务部

2018年，刚硕士毕业的林锐，加入西湖大学工学院王建辉实验室，成为一名博士新生。彼时的他想象不到，在未来三年多的时间里，他将一直在一个课题上死磕。同年，导师王建辉也刚刚离开东京大学，和林锐几乎前后脚地搬进位于西湖大学云栖校区的实验室。他继续从事储能研究，从镍氢电池，到储氢材料，再到锂离子电池……都是他熟悉的领域。彼时的他也预料不到，下一个重要成果将在哪个课题上率先取得突破。诚如王建辉在他个人主页上写的那样：科学探索中，笃信与质疑共存，偶然与必然同在，是挑战也是机会！关于他们，这里有一个笃信与质疑、偶然与必然的故事，想和你分享。为什么死磕水系电池电池的重要性和普遍性，不言而喻。大到上天入海的大型交通工具，小到每个人手握的手机、电脑，这些器件的启用运行，都离不开体内电池的能量供应。从世界上第一个真正意义上的电池“伏特电堆”，到后来的蓄电池、干电池，电池这个人工产物在过去200多年里不断发生着技术变革。近年来，随着全球确定了碳达峰、碳中和的发展目标，基于可再生能源利用的大规模储能和新能源汽车的普及推广也成为发展的必然趋势，人们对于安全、环保、高能量密度、低成本电池的需求愈发迫切，这也对科学家们探索新一代电池提出了更高的要求。以生活中最常见的锂离子电池为例，它具有能量密度高、体积小、重量轻、使用寿命长等优点。然而，锂是一种非常活泼的金属，遇到极少量水即刻便能发生反应，锂离子电池通常只能在严格控制的干燥房里进行生产；锂电池对温度也十分敏感，通常只能在室温附近的-20～50℃范围内稳定工作，一旦电池内部局部过热，便可诱发一连串放热反应，甚至起火爆炸……据不完全统计，2021年全国新能源汽车火灾事故约3000起，电动自行车火灾约1.8万起，造成巨大的人员安全和财产损失。面对悬而未决的安全问题，科学家们把目光投向了水系电解液，相比目前锂离子电池使用的有机电解液，水系电解液的“安全系数”要高很多，不难理解，水系溶液不可燃，这就大大降低了电池燃烧爆炸的风险。安全性高、制备条件宽松、成本低廉，一直是水系电解液的抢眼优势。但它的瓶颈同样突出——电压窗口窄，限制了电池的能量密度上升空间。例如，常规水系电池，如铅酸电池、镍镉电池的电压为1-2 V，能量密度只有30-50 Wh/kg，远低于有机系锂离子电池（3-4 V，150-250 Wh/kg）。水系电池的能量密度不到锂离子电池的1/3，因此使用水系电解液的电池在市场上不具备竞争优势。如何制备出宽电压窗口的水系电解液，以实现匹敌有机系锂离子电池的能量密度？在这场全球能源、材料领域科学家参与的“神仙打架”中，以王建辉导师和林锐为主的团队“死磕”三年，于近期取得了突破。今年1月，西湖大学王建辉和刘仕团队在Joule杂志线上发表题为“Asymmetric donor-acceptor molecule regulated core-shell-solvation electrolyte for high-voltage aqueous batteries”的研究文章，并在刚刚出版的Joule 2月刊中作为封面出现。而林锐，正是该文的第一作者。论文免费下载链接：https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(22)00002-2 全新电解液“秘方”：甲基脲在全新水系电解液中，研究团队用到了一种关键“配方”——甲基脲分子。甲基脲是一种十分常见的化学物质，主要用于有机合成及制药工业，成本低廉。更重要的是，作为一种不可燃、低毒的物质，甲基脲十分符合制备水系电解液材料的需求。通过多种原位/准原位表征，以及反复的实验验证，加入甲基脲的电解液可以有效抑制水在高/低电位条件下的氧化/还原分解等副反应。在相同测试条件下，研究团队对比研究了近10种已报道的代表性高电压水系电解液，结果显示甲基脲水系电解液具有最宽的4.5 V的电化学稳定窗口，是常规水系电解液的2倍多。基于此结果，能够大幅提高水系电池的能量密度，有望开发出与有机系锂离子电池相匹敌，并兼顾安全和成本优势的新型电池。“结构决定性能。”来自工学院的王建辉和林锐，不满足于表面性能的突破，他们想要更进一步地“知其所以然”。他们找到理学院的刘仕团队合作，通过分子层面的模拟计算，深入理解电解液组成、结构与功能之间的联系。基于大量数据结果分析和不同尺度下观察，团队惊喜地发现了一个独特的溶液结构，显著区别于普通水溶液。我们可以看到Joule封面上的水滴，黄绿色的“盐核”被蓝紫色的“有机/水壳”紧紧包裹，共同形成一种名叫“核壳”的溶液结构。王建辉说，这是一种在固体纳米材料中“最常见”的结构，但在液体中发现类似结构，令人非常意外，这为调控溶液结构，设计新型电解液，以及后续各种可能的应用研究提供了理论基础。三年磨一剑2022年的1月，林锐终于收到来自《焦耳》编辑团队消息：文章被接收了。入学至今，这是他的第一篇文章，也意味着他的工作得到了同行的认可。苦苦研究水系电解液三年，林锐着实压力不小。起初，这只是一个用来“练手”的小课题，拿到初步结果后，2020年初，林锐就完成了第一篇初稿。只是，导师王建辉敏锐地注意到，前期科研人员的水系电池工作设定了很多前提条件（如，使用特定集流体、电极表面各种预处理、过量锂源、泛滥的电解液用量），偏离了实用化需求，同时为了电池的稳定工作，引入了可燃的有机物，这忽视了使用水系电解液的初心——安全。于是，“小”课题似乎有了“大”前景。在导师的鼓励下，林锐又熬了两年，终于构想出一种简单有效的策略，来获得宽电化学窗口的水系电解液。这种电解液成本低、安全性好，为推动安全、廉价和高能量密度的水系电池的发展创造了有利条件。看到Joule封面的那一刻，林锐庆幸自己坚持下来了。他本可以选择在第一年把已有的成果投稿到容易发表的期刊上，也可以选择做一些较少人涉猎、机会更大的领域，那样意味着更多的可能。但他觉得，既然选择了这个课题，就应该坚持做到底，做更深层次、更有指导价值的研究。“如果只是为了发文章交差，那科学研究就失去了它最大的意义。”林锐说。图为王建辉团队成员合影王建辉位于后排左七，林锐位于后排左二今后，林锐将继续在水系电解液领域深耕，期待能找到一种低价、绿色、安全的电解液投入到电池实用中去。克制内心的焦虑，静心沉着的思考，笃信坚持的意义，质疑权威的答案，科研成果的诞生，就在偶然和必然之间。王建辉，西湖大学新能源存储与转化实验室负责人、研究员、博导，入选国家海外高层次人才计划（青年项目）、浙江省创新领军人才计划、杭州市521全球引才计划。2002-2006年，保送浙江大学材料专业，获工学学士学位。2006-2011年在浙江大学、新加坡国立大学、中科院大连化物所接受直攻博联合培养，获工学博士学位。毕业后在日本九州大学国际氢能中心从事博士后研究。2013-2018年，加入东京大学从事锂/钠离子电池与电解液研究，历任特任研究员、日本学术振兴会JSPS Fellow、主任研究员（Chief Researcher）。代表性成果包括：首次研发一种高效的非过渡金属（钾）储氢催化剂并揭示其催化机理（Angew. Chem. Int. Ed. 2009）；设计首例“单一溶质单一溶剂”的高电压锂离子电解液，实现5V级电池（Nat. Comm. 2006）；设计灭火有机电解液，实现安全长寿锂/钠离子电池（Nat. Energy 2018, Nat. Energy 2019）。相关研究获得美国、日本汽车公司赞助以及日本学术振兴会科研经费支持，相关成果得到中国新华社、日本经济新闻、读卖新闻、英国 Chemistry world、Phys.org等国内外传媒报道。西湖大学新能源存储与转化实验室致力于探索和开发新一代清洁能源存储与转化关键技术，如高能量密度可充放电池、液流电池、新型储氢技术与燃料电池。课题组欢迎对科研有热情的博士生、博士后、助理研究员、科研助理加盟。

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水性锂离子电池的发展

Journal of Energy Chemistry

(

13.1

)

Pub Date : 2018-06-09

, DOI:

10.1016/j.jechem.2018.06.004

Duan Bin

Yunping Wen

Yonggang Wang

Yongyao Xia

为了满足不断增长的能源需求，我们迫切需要构建网格规模的储能系统，而不是连接可持续能源。锂离子水电池（ALIBs）已被广泛研究，成为最有前途的固定能源，用于可持续能源，例如风能和太阳能。可以相信，由于安全和环保的水性电解质，ALIB的优点将克服传统有机锂电池的局限性。在过去的几十年中，已经进行了大量的工作来增强不同类型的ALIB的性能。在这篇综述中，我们讨论了开发阴极，阳极和电解质以获取所需的ALIB电化学性能的方法。此外，简要讨论了该领域的主要挑战和前景。

"点击查看英文标题和摘要"

The development in aqueous lithium-ion batteries

To meet the growing energy demands, it is urgent for us to construct grid-scale energy storage system than can connect sustainable energy resources. Aqueous Li-ion batteries (ALIBs) have been widely investigated to become the most promising stationary power sources for sustainable energy such as wind and solar power. It is believed that advantages of ALIBs will overcome the limitations of the traditional organic lithium battery in virtue of the safety and environmentally friendly aqueous electrolyte. In the past decades, plentiful works have been devoted to enhance the performance of different types of ALIBs. In this review, we discuss the development of cathode, anode and electrolyte for acquiring the desired electrochemical performance of ALIBs. Also, the main challenges and outlook in this field are briefly discussed.

更新日期：2018-06-09

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