基于水系電解液的儲能電池具有安全性高、成本低和倍率性能優(yōu)等特點，近幾年發(fā)展迅速。然而，水系電解液的電化學(xué)窗口較窄(1.23V)，導(dǎo)致該類型電池的工作電壓一般比較低；且水系電池對電極材料的選擇較為嚴苛，穩(wěn)定性和比容量均需大幅提升。低工作電壓、低能量密度等瓶頸使得水系電池的規(guī)模應(yīng)用面臨巨大挑戰(zhàn)。

近期，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員劉宇和副研究員遲曉偉帶領(lǐng)的科研團隊，提出酸堿隔離電解液和雙溶解/沉積型電極反應(yīng)思路，構(gòu)造出一類具有高能量密度(1503Whkg-1，基于正極活性材料)的新型水系電池。該體系采用雙極膜將酸-堿電解液隔離，利用電極電位對電解液PH值的依賴性，將全電池電解液的電化學(xué)穩(wěn)定窗口拓寬至3V，同時，電池的正負極采用了溶解/沉積反應(yīng)(負極：Zn/Zn(OH)42+正極：Mn2+/MnO2)，因而賦予了正負極高達616mAhg-1和820mAhg-1的理論比容量。測試表明，該電池具有較高的庫倫效率(98.4%)、優(yōu)異的循環(huán)性能(1500圈后容量保持率為97.5%)和倍率特性。基于該反應(yīng)體系構(gòu)建的液流電池表現(xiàn)出極小的衰減，循環(huán)6000次后容量保持率為99.5%。相關(guān)研究成果發(fā)表在《先進能源材料》(AdvancedEnergyMaterials),2020,DOI:10.1002/aenm.201903589，并得到期刊封面介紹。該研究也為發(fā)展高電壓、高比能量的水系電池提供了新思路。

該工作第一作者為上海硅酸鹽所在讀博士生劉常，導(dǎo)師為劉宇。該工作獲得科技部和中科院等的相關(guān)項目支持。

基于酸堿隔離電解液-雙溶解/沉積型電極反應(yīng)的高比能水系電池反應(yīng)示意圖

新型高比能水系電池的主要電化學(xué)性能