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复旦大学学者研发新型水锂电

发布时间:2013-04-08

复旦大学新闻中心讯  在人们的日常生活中,锂电池已经是司空见惯却也必不可少的物品。从手机、电脑到大型机械设备、新能源汽车,可以说现代社会生活的许许多多新奇“装备”是由锂电池驱动的。对于普通老百姓的来说,对于锂电池的要求无非是更安全——电池在任何情况下都不要突然爆炸;更耐用——电池使用时能支撑的时间久一些、距离远一些,电池的寿命更长一点,不用记挂着需要时常更换;更方便——在通过风能、太阳能、潮汐能发出来的电可以高效率的储存起来,给天黑时、没风、没电的时候用。这也是全世界电池研究者追寻的目标。

近日,最新一期《自然》(Nature)杂志子刊《科学报道》(Sci. Report)刊发了复旦大学吴宇平教授领导的课题组关于水溶液锂电池体系的最新研究成果。吴宇平课题组采用复合膜将金属锂进行包覆,而后将其置于pH值呈中性的水溶液中,与锂离子电池中传统的正极材料如尖晶石锰酸锂组装,制成了平均充电电压为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。吴教授课题组发明的新型水溶液可充锂电池(简称为“水锂电”)的能量密度(即同样大小、质量的情况下,每单位储存电能的多少)比目前普遍采用的有机电解质的动力锂离子电池要高出了80%。

据吴宇平教授介绍,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。传统的锂离子电池尽管具有诸多优点,并且在民众生活中应用广泛,但是在大型的储能系统中,用传统方法制造的锂电池成本高,对生产条件要求高,并且由于有机电解质的物理化学性质,存在较大的安全隐患,我们迫切需要发展新型的低成本、易大规模生产、安全环保的蓄电池体系。由于水溶液的安全性能高,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。

据悉,复旦大学自2005年起就一直在开展水锂电这一国际前沿领域的探索,相关研究成果曾发表在《德国应用化学》、《能源与环境科学》等国际权威的专业刊物上。在我国科技部重大基础研究计划和自然科学基金委的资助下,至2007年复旦大学在新型水锂电方面的研发领域取得了重大进展,研究成果和科研水平开始居于世界先进地位。

在此次发表的最新成果中,复旦大学化学系吴宇平教授所带领的课题组成员研究设计了全新的思路,并首次提出了锂离子在该复合膜发生“电位穿越”的理论。

锂电池的主要工作原理,是依靠锂离子在正负电极之间的迁移而产生电流的。这种迁移是在溶液中进行的。但是由于低电位的锂离子会和水溶液发生电化学反应(析出氢,生成氢氧化锂),从而使电池自身发生损耗,不能发生可逆充电,因此水锂电研究要解决的核心问题就是如何防止锂离子和水在低电位发生反应。而采用原有的“极化”(即不断尝试使用新型的材料制作电极)解决方案,只能使水锂电所产生的电压最多达到2.0V,而且充放电效率低。

吴宇平教授则换了另外一种思路,用高分子材料和无机材料制成复合膜,包裹在金属锂外。而这层复合膜成为了锂离子的电位在正负极之间“时空穿越”的“随意门”和“时光机”——在这个膜的作用下,质子和水分子无法在低电位下得到电子,就不会在锂离子迁移过程中发生析氢或者水的分解。吴宇平教授打趣地说道:“你可以把他形象地想象成锂离子的电位经过膜,一下就到了负极,然后又直接从负极回到正极,就好像科幻片中,人跨过时光门可以直接在地球和外太空之间往返。”因此,吴教授也把这一新发现称作“电位穿越”。据介绍,复旦的包裹复合膜的新型水锂电,可以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。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有望达到400公里,而现在市面上售卖的电动车出行距离为150-180公里(如荣威E50在60公里等速时续航里程为180公里)。

此外,相对于之前非水的有机溶剂与锂盐溶液——这些有机溶剂在过度充电、短路等不良使用情况下很容易导致锂离子电池发生起火甚至爆炸——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容易发烫发热,安全性能和成本较现有的锂离子电池都具有明显的优势。据介绍,时刻存在的安全隐患,无法给消费者100%的信心,已经成为现有电动产品大规模推广的主要阻碍之一。

随着经济的发展,环境污染的日益加剧,不可再生的能源资源不断消耗,人类社会迫切需要提高能源的利用效率,开拓新能源和可再生能源,保证人类的可持续发展,而这些均离不开电化学储能——新型电池。因此,像水锂电这样的电化学储能有望为21世纪具有持续、爆炸式发展潜力的新兴产业。“新型水锂电在生活中可具体应用到各方各面”,吴宇平教授说,“希望水锂电的突破能够最终使消费者对安全放心、对成本接受,解决目前全球踌躇不前的电动汽车产业的主要障碍,为新能源发展、为中国和人类社会的支柱产业注入新动力。”

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