南工大研发出高电压高能量密度水溶液可充电电池

A-A+日期:2020-11-18来源:中国化工报    

 中化新网讯 近日,南京工业大学吴宇平、付丽君教授团队设计了一种碱性/中性混合的水溶液电解质体系,将水溶液电解质的电压稳定窗口提高到了3V,研发出了高电压高能量密度水溶液混合电解质可充电电池。相关工作发表在国际化学领域顶级学术期刊《先进能源材料》上。

  锂离子电池以其高能量密度、高效率和低自放电率在便携式电子产品和电动汽车中占据主导地位,然而使用易燃的有机电解液所引起的严重安全问题阻碍了它们的广泛应用。而水性可充电电池虽然成本低、运行安全性高、环境友好,但由于受到水的分解电压的限制(1.23V),其能量密度远低于有机锂离子电池。

  “水性可充电池是指用水溶液作为电解质的可充电电池。”付丽君教授介绍道,“水溶液的理论分解电压是1.23V,实际电池中由于存在过电势 ,分解电压可以达到1.5~2V左右,但是很难超过2V。我们通过使用阳离子交换膜,将碱性溶液与中性溶液组合成混合电解液体系,将水溶液电解质的电压稳定窗口提高到了3V。”

  “在水溶液电解质体系中,中性电解液的析氢电位高于碱性电解液,析氧电位低于酸性溶液,但是其电压窗口是三种溶液中最宽的。另外,碱性溶液和中性溶液的组合相对较为容易,而且这样的组合将大大拓宽水溶液体系的电压稳定窗口。”论文第一作者、南京工业大学袁新海博士表示。

  在这个工作中,研究团队使用了阳离子交换膜作为隔膜。“阳离子交换膜可以起到传输阳离子而阻隔阴离子的作用,从而使电解液保持稳定的PH值。另外在这个混合电解液体系中,阳离子在两端电解液中都是稳定存在的,因此保证了电解液的稳定性。”袁新海解释道,电解液的稳定才能保证这个电池体系的稳定性,即保证这个电解液体系的电压窗口保持稳定。

  “电解液的电压稳定窗口解决了,下一步就是选用合适的正负极材料才能构建高电压、高能量密度水溶液电池。”付丽君介绍,他们在研究中注意到,锌是在碱性溶液中具有最负电位且具有较高比容量的金属负极,而锰酸锂是在中性电解液中具有较高氧化还原电位和较高比容量的正极材料,“因此将这两种材料结合起来,可以得到较高电压的水性可充电池。”

  据了解,这种水溶液电池由于使用了不可燃且价格低廉的水溶液作为电解质,不仅比锂离子电池更安全、成本更低,也更容易制备,因为锂电池须在无水无氧条件下制备,对水和氧气含量的要求非常高。

  该研究团队基于这种混合水溶液电解质的概念,还研发了一系列水溶液电池和水溶液电容器的工作,相关工作分别发表在《化学电化学》、《化学通讯》《材料化学学报A》和《先进科学》 上。

 

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