水溶液鋰離子電池工作原理

在水性電解液，它們的氧化還原電位的差異是非常大的，它們的組合將建立一個可再充電的電池系統(tǒng)的概略結(jié)構(gòu)的組裝的水可再充電鋰的電池(ARLB)使用的被覆的鋰金屬作為陽極和錳酸鋰作為陰極，其CV曲線的掃描速度為0.1mV/s,有兩對氧化還原峰，分別位于4.14/3.80和4.28/3.93V。氧化還原反應(yīng)如下所示：在充電過程中，只有一個在陽極反應(yīng)。Li+離子從水性電解液運輸通過被覆層，減少在鋰金屬表面和沉積Li金屬。在陰極上進(jìn)行兩種反應(yīng)：Li+的陽離子去地嵌入從四面體8a的和八面體16c的站點，隨后，造成兩對氧化還原峰，和有機電解質(zhì)的行為類似。在放電過程中，反向的過程發(fā)生。

因此，在我們的ARLB的CV曲線有兩對氧化還原峰。這表明，我們上面的電池化學(xué)涂層的鋰金屬，0.5mol.L-1Li?SO?/LiMn?O?可以在水性電解液的可充電電池平均輸出電壓高于3.8V，遠(yuǎn)高于水的理論分解電壓，即1.229V。

水溶液鋰離子電池的優(yōu)點

水溶液鋰離子電池由于安全性能高，不會起火，離子導(dǎo)電率高，且成本也低，已經(jīng)成為下一代大型儲能電池發(fā)展的優(yōu)選方向。鋰離子電池的重要工作原理是依靠鋰離子在正負(fù)電極之間的遷移而出現(xiàn)電流的，這種遷移在溶液中進(jìn)行，常常會使電池自身發(fā)生損耗。

吳宇平教授開創(chuàng)了新的思路：用高分子材料和無機材料制成復(fù)合膜，包裹在金屬鋰外。而這層復(fù)合膜成為鋰離子的電位在正負(fù)極之間時空穿越的隨意門。吳宇平說：你可以把它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。

這種新型水溶液鋰離子電池將以突出的安全性、耐用性，成為新能源產(chǎn)品的大力士。用它裝備的電動汽車的行駛距離有望達(dá)到400公里，而裝備等同體積的傳統(tǒng)鋰電電動汽車出行距離僅為150180公里。

復(fù)旦大學(xué)教授吳宇平教授有關(guān)水溶液鋰離子電池體系的最新研究，可將鋰離子電池性能提高80%。電動汽車只需充電10秒即可行駛400公里，這種電池成本低廉，安全不易爆炸。

該課題組向記者展示了這種鋰離子電池體系。一片薄薄的金屬鋰，被特制的復(fù)合膜緊密包裹，將其置于pH值呈中性的水溶液中，與鋰離子電池中傳統(tǒng)的正極材料尖晶石錳酸鋰組裝，即可制成平均充電電壓為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。

吳宇平課題組的這項成果對發(fā)展新型的低成本、易大規(guī)模生產(chǎn)、安全環(huán)保的蓄電池體系供應(yīng)了可能。據(jù)稱，新型的水鋰電采用水溶液作為電解質(zhì)，阻燃性增強，使電池在使用過程中不易發(fā)燙發(fā)熱，安全性能高;用高分子材料和無機材料制成復(fù)合膜，能將電池的能量損耗降到5%以下。

據(jù)估計，假如將這種電池用于手機，同樣大小的電池至少能將手機通話時間延長一倍，成本則不足原有的一半;用于汽車同樣如此，對環(huán)境構(gòu)成的污染也比現(xiàn)有鋰離子電池小得多。