固态氧化还原对:构建新型高电压高能量密度水性电池

shuidianchi当前锂离子电池普遍采用可燃性的有机电解液,存在很大的安全隐患。相比之下,镍氢电池等水系电池使用水溶液作为电解液,具有低成本、安全、阻燃、工作温度范围宽等优点,因此,其广泛用于消费电子、电动交通工具、航空航天电子等领域。目前镍氢电池普遍采用Ni(OH)2/NiOOH氧化还原电对为正极,AB5型储氢合金作为负极,在电化学反应过程中,其反应理论电子转移数为1,因而镍氢电池的理论比容量可达289.03 mAh g−1;但镍氢电池缺点也显而易见,受制于镍氢电池使用水溶液作为电解液,工作电压往往低于1.4V,因而其能量密度通常也低于100 Wh kg-1,无法满足电动汽车的需求。目前,学术界以及产业界不断尝试新的方法来提高镍氢电池的能量密度,其中通过改进电池的组成结构从而提高其放电电压来提高电池的能量密度是最佳选择之一。华中科技大学池波教授与日本信州大学张明教授研究构建了一种新型的水性锂镍(Li-Ni)电池,通过优化水性电解液的组成,降低了碱性电解液对固态电解质隔膜的腐蚀性,从而可以利用一层固态防水渗透锂离子电解质隔膜来分离水系电解液和有机电解液,进而避免了水与金属锂的反应,使金属锂作为负极材料成为可能。另外,通过纳米结构化策略在碳纳米管表面原位氧化还原生成纳米级别Ni(OH)2/NiOOH电对作为正极活性材料,实现了正极活性材料与碳材料充分的接触,降低了正极材料的电化学阻抗以及减小了电子、离子的传输阻力,从而保障了Li-Ni电池的正极材料良好的电子及离子传导性能,使电池能够在较大的电流密度下工作。这种新型电池的理论电压可以达到3.5 V,突破了水溶液的理论分解电压限制,其能量密度在0.17C的放电电流下达到912.6 Wh kg-1;在3.5C的放电电流下依然高达559.6 Wh kg-1,能量密度远高于锂离子电池。现阶段,该新型电池仍存在一些问题,包括:1)固态防水渗透锂离子电解质隔膜在碱性水溶液中的长期稳定性及锂离子电导率不足,2)正极活性材料与碳材料之间在长期循环充放电工作时的结构稳定性。后续工作需要进一步提高固态防水渗透锂离子电解质隔膜的电导率,采用室温锂离子电导率较高的电解质隔膜材料,从而提高锂离子在电池充放电过程中的传输速率。另外,进一步改善正极材料的结构,例如:1)改进集流体;2)采用碳包覆活性材料的方式;3)在水溶液中加入适量的Ni2+离子来抑制活性材料的溶解扩散效应等来提高正极材料的长期稳定性。

总而言之,这种新型的水性锂镍电池具有良好的发展及应用前景。同时,通过使用不同的固态氧化还原正极对搭配金属锂负极的方法可以为构建各种新型水性电池提供新的思路。相关文章发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201700155)上。