复旦大学晁栋梁：开发高安全、低成本的新型水性电池( 二 ) 2021年10月28-29日

晁栋梁表示：“这些其实还不够，因为包括锂离子电池和钠离子有机电解液作为大量添加，当遇到紧急情况包括高温爆炸，不可避免发生燃烧或者爆炸的风险，曾经发生过很多典型的案例，包括波音787和特斯拉ModelS ，以及今年大家记忆犹新的在成都密闭电梯里面发生电动自行车自燃、自爆。 ”
由于电池安全性问题，给人们造成人身和财产伤亡的事件时有发生，这些案例不断提醒用户“安全”才是电池安身立命的根本。
致力开发一系列新型高安全、低成本水性电池
谈及电池安全性问题时，不得不提南孚电池、超霸电池、金霸王等品牌，用水作为大量的电解液来保障电池安全性和降低其成本的案例。因为水的引入使电池寿命得到限制，以及能量密度得到了限制，对水施加一定的电压就会发生分解正级和负级分别产生氧气和氢气，这些副反应不仅降低了循环而且也限制了电池的能量密度。
锂电池目前向着水性锂电发展，希望能较好地解决电池爆炸这一安全问题，只是容量和寿命一直无法达到消费需求。
锌在这些体系尤为突出，不仅是因为储量丰富低成本，而且在水的溶液进行稳定的电化学的剥离和沉积反应，一定程度抑制水的分解。

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图｜全球锌的占有量分析
所谓电池的能量密度主要与体系的电压和容量有关，当前水系电池的电压局限在1.8V以下，如果想提高水系电池电压，必须在这两个方面做提高，当前能量密度比较低，基本上都是在100瓦时每公斤以内。
针对水系电池的容量和电压的问题，晁栋梁课题组在最近2-3年里分别从水系电池的正级、负级、电解液和隔膜角度进行努力突破，开发出一系列高安全、低成本的新型水系电池。晁栋梁从不同角度介绍了如何改善水系电池，让“金霸王”等传统的水系电池恢复往日生机。
首先，从电压的角度来看，水的分解电压为1.23V ，但是通常高过这个电压，因为极化的存在，可以看到不管在中性、酸性、还是碱性下都存在HER和OER ，所以水系的分解电压包含了正负极的极化和电解液等界面的极化。该团队提高水系电池的电压的做法是将HER往更负的地方推， OER往更正的地方推，这样会产生一个GAP以填补两个竞争性的反应电对，从而形成一个高的电压差。其团队研发的电解Zn-Mn体系具有两伏的高放电电压，更低的成本，可以做成大规模的液流模式进行大规模应用。该电池体系和其他的电池比，具有更高的能量密度和功率密度，成本和售价可以非常低。
从另一个角度来看，如何提高水性电池的容量也是其课题组近来一直致力于的研究方向，硫的容量密度可以达到1000毫安时每克以上，如果结合其材料低成本的特性，这样的新兴硫基水性电池可以解决能量密度的困扰。
该团队在电解液方面也做了研究，他们可以通过非常简单的方法在传统的电解液里添加葡萄糖这类很便宜的添加剂，葡萄糖分子代替锌周围的六个水分子的一个，这种代替方式可以稳定水的结构，降低电解液分解风险，葡萄糖分子还可以吸附在锌的表面保护锌的负级防止枝晶的产生。

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图｜水的分解
从器件的角度，该团队还通过自上而下的合成方法得到富含孔道的微米级无钴球镍用作碱性锌镍电池，这样的软包电池技术在小的体积条件下实现了较高的能量密度，可以达到150瓦时每公斤以上。其演示了一个较小的软包电池就可以驱动小卡车模型，而且可以承受各种安全性破坏测试，并且可以正常稳定的运行。