復(fù)旦大學(xué)學(xué)者研發(fā)新型水鋰電

    在人們的日常生活中，鋰電池已經(jīng)是司空見慣卻也必不可少的物品。從手機(jī)、電腦到大型機(jī)械設(shè)備、新能源汽車，可以說現(xiàn)代社會生活的許許多多新奇“裝備”是由鋰電池驅(qū)動的。對于普通老百姓的來說，對于鋰電池的要求無非是更安全——電池在任何情況下都不要突然爆炸；更耐用——電池使用時(shí)能支撐的時(shí)間久一些、距離遠(yuǎn)一些，電池的壽命更長一點(diǎn)，不用記掛著需要時(shí)常更換；更方便——在通過風(fēng)能、太陽能、潮汐能發(fā)出來的電可以高效率的儲存起來，給天黑時(shí)、沒風(fēng)、沒電的時(shí)候用。這也是全世界電池研究者追尋的目標(biāo)。

    近日，最新一期《自然》（Nature）雜志子刊《科學(xué)報(bào)道》（Sci. Report）刊發(fā)了復(fù)旦大學(xué)吳宇平教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組關(guān)于水溶液鋰電池體系的最新研究成果。吳宇平課題組采用復(fù)合膜將金屬鋰進(jìn)行包覆，而后將其置于pH值呈中性的水溶液中，與鋰離子電池中傳統(tǒng)的正極材料如尖晶石錳酸鋰組裝，制成了平均充電電壓為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。吳教授課題組發(fā)明的新型水溶液可充鋰電池（簡稱為“水鋰電”）的能量密度（即同樣大小、質(zhì)量的情況下，每單位儲存電能的多少）比目前普遍采用的有機(jī)電解質(zhì)的動力鋰離子電池要高出了80%。

    據(jù)吳宇平教授介紹，水鋰電是當(dāng)今鋰電池研發(fā)的前沿和方向之一，它是用普通的水溶液來替換傳統(tǒng)鋰電池中的有機(jī)電解質(zhì)溶液。傳統(tǒng)的鋰離子電池盡管具有諸多優(yōu)點(diǎn)，并且在民眾生活中應(yīng)用廣泛，但是在大型的儲能系統(tǒng)中，用傳統(tǒng)方法制造的鋰電池成本高，對生產(chǎn)條件要求高，并且由于有機(jī)電解質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)，存在較大的安全隱患，我們迫切需要發(fā)展新型的低成本、易大規(guī)模生產(chǎn)、安全環(huán)保的蓄電池體系。由于水溶液的安全性能高，不會起火，離子導(dǎo)電率高，且成本也低，水鋰電已經(jīng)成為下一代大型儲能電池發(fā)展的優(yōu)選方向。

    據(jù)悉，復(fù)旦大學(xué)自2005年起就一直在開展水鋰電這一國際前沿領(lǐng)域的探索，相關(guān)研究成果曾發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》、《能源與環(huán)境科學(xué)》等國際權(quán)威的專業(yè)刊物上。在我國科技部重大基礎(chǔ)研究計(jì)劃和自然科學(xué)基金委的資助下，至2007年復(fù)旦大學(xué)在新型水鋰電方面的研發(fā)領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展，研究成果和科研水平開始居于世界先進(jìn)地位。

    在此次發(fā)表的最新成果中，復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系吳宇平教授所帶領(lǐng)的課題組成員研究設(shè)計(jì)了全新的思路，并首次提出了鋰離子在該復(fù)合膜發(fā)生“電位穿越”的理論。

    鋰電池的主要工作原理，是依靠鋰離子在正負(fù)電極之間的遷移而產(chǎn)生電流的。這種遷移是在溶液中進(jìn)行的。但是由于低電位的鋰離子會和水溶液發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)（析出氫，生成氫氧化鋰），從而使電池自身發(fā)生損耗，不能發(fā)生可逆充電，因此水鋰電研究要解決的核心問題就是如何防止鋰離子和水在低電位發(fā)生反應(yīng)。而采用原有的“極化”（即不斷嘗試使用新型的材料制作電極）解決方案，只能使水鋰電所產(chǎn)生的的電壓最多達(dá)到2.0V，而且充放電效率低。

    吳宇平教授則換了另外一種思路，用高分子材料和無機(jī)材料制成復(fù)合膜，包裹在金屬鋰外。而這層復(fù)合膜成為了鋰離子的電位在正負(fù)極之間“時(shí)空穿越”的“隨意門”和“時(shí)光機(jī)”——在這個(gè)膜的作用下，質(zhì)子和水分子無法在低電位下得到電子，就不會在鋰離子遷移過程中發(fā)生析氫或者水的分解。吳宇平教授打趣地說道：“你可以把他形象地想象成鋰離子的電位經(jīng)過膜，一下就到了負(fù)極，然后又直接從負(fù)極回到正極，就好像科幻片中，人跨過時(shí)光門可以直接在地球和外太空之間往返。”因此，吳教授也把這一新發(fā)現(xiàn)稱作“電位穿越”。據(jù)介紹，復(fù)旦的包裹復(fù)合膜的新型水鋰電，可以大幅降低電池的成本，提高其能量密度，從而使電池充電時(shí)間更短，儲存電量更多，耐用時(shí)間更久。該體系計(jì)算的實(shí)際能量密度大于220 Wh/Kg(瓦時(shí)/公斤)，能量效率高達(dá)95%，預(yù)計(jì)裝備這一新型水鋰電的電動汽車的行駛距離有望達(dá)到400公里，而現(xiàn)在市面上售賣的電動車出行距離為150-180公里（如榮威E50在60公里等速時(shí)續(xù)航里程為180公里）。

    此外，相對于之前非水的有機(jī)溶劑與鋰鹽溶液——這些有機(jī)溶劑在過度充電、短路等不良使用情況下很容易導(dǎo)致鋰離子電池發(fā)生起火甚至爆炸——新型的水鋰電采用水溶液作為電解質(zhì)，阻燃性增強(qiáng)，使電池在使用過程中不容易發(fā)燙發(fā)熱，安全性能和成本較現(xiàn)有的鋰離子電池都具有明顯的優(yōu)勢。據(jù)介紹，時(shí)刻存在的安全隱患，無法給消費(fèi)者100%的信心，已經(jīng)成為現(xiàn)有電動產(chǎn)品大規(guī)模推廣的主要阻礙之一。

    隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)境污染的日益加劇，不可再生的能源資源不斷消耗，人類社會迫切需要提高能源的利用效率，開拓新能源和可再生能源，保證人類的可持續(xù)發(fā)展，而這些均離不開電化學(xué)儲能——新型電池。因此，像水鋰電這樣的電化學(xué)儲能有望為21世紀(jì)具有持續(xù)、爆炸式發(fā)展?jié)摿Φ男屡d產(chǎn)業(yè)。“新型水鋰電在生活中可具體應(yīng)用到各方各面”，吳宇平教授說，“希望水鋰電的突破能夠最終使消費(fèi)者對安全放心、對成本接受，解決目前全球躊躇不前的電動汽車產(chǎn)業(yè)的主要障礙，為新能源發(fā)展、為中國和人類社會的支柱產(chǎn)業(yè)注入新動力。”  ▇