鋰離子電池自上個世紀90年代誕生以來就憑借著高電壓帶來的能量密度優勢迅速占領了消費電子儲能市場，成為目前最為成功的化學儲能電池之一。但是高電壓也導致了鋰離子電池無法使用傳統的水系電解液，只能采用昂貴的有機電解液，這也是導致鋰離子電池成本居高不下的重要原因之一。

近年來興起的高濃度電解液讓水系電解液的應用看到了希望，高濃度電解液的主要工作原理是通過在溶液中加入大量的溶質，從而使得多數的溶劑分子都與溶劑結合成為溶劑化結構，使得溶液中的自由狀態溶劑分子數量大大降低。而溶劑分子與溶質分子結合后會導致溶劑分子所處的化學環境發生變化，從而使得高濃度溶液的電化學穩定性大幅提高。

此外鋰離子電池的發展還面臨著一個比較棘手的問題——傳統的過渡金屬氧化物正極材料的可逆容量普遍偏低（多數低于200mAh/g），影響了鋰離子電池能量密度的提升。為了解決這一問題，美國馬里蘭大學的ChongyinYang（第一作者）和王春生（通訊作者）采用鹵素+石墨的混合正極大幅提升了正極的可逆容量，該正極中的LiCl和LiBr發生氧化還原反應，反應生成的鹵素原子嵌入到石墨之中，該正極材料不僅可逆容量達到了243mAh/g以上，還具有非常好的可逆性，配合高濃度水溶液電解液使得水系鋰離子電池的能量密度超過300Wh/kg（不計算結構件重量），可以說是水系鋰離子電池研究中的一個具有里程碑意義的成果，鋰電泰斗Goodenough老爺子對這一成果也是稱贊有加。

該新型水系正極材料的反應原理如下圖和下式1、2所示，首先LiBr中的Br被氧化到0價態，嵌入到石墨之中形成Cn[Br]，隨后LiCl中的Cl元素也被氧化為0價態，繼續嵌入到石墨之中，形成Cn[BrCl]，理論上LiBr的容量可達309mAh/g，而LiCl的理論容量高達632mAh/g，為高容量正極奠定了基礎。

當該正極體系浸入到高濃度的水系電解液中之后，無水LiBr／LiCl將吸收2.4%左右的水分，從而在正極的表面形成一層水合LiBr／LiCl層，這層水合層的存在促進了鹵素鹽的氧化還原反應，同時這一層水合層不但允許Li+快速通過，還能夠阻止鹵素陰離子溶解到電解液之中。

我們能夠看到該正極存在兩個明顯的反應平臺，分別是在4-4.2V的Br的嵌入反應，以及在4.2-4.5V的Cl的嵌入反應，放電容量達到了243mAh/g，循環230次后可逆容量保持率可達82%。

該正極材料與常見的正極材料的理論能量密度的一個對比，可以看到在質量能量密度方面LBC-G正極材料可達970Wh/kg，幾乎是傳統的過渡金屬氧化正極材料的2倍，僅低于S正極，但是在體積能量密度方面LBC-G要遠高于S正極。

為了進一步研究該正極的反應機理，作者采用了拉曼光譜手段對不同電壓下的正極進行了分析（結果如下圖a所示），從拉曼光譜曲線我們能夠看到在0-50%SoC范圍內242/cm的嵌入型Br2的峰（由于嵌入石墨層之中后弱化了分子鍵，從而使得頻率從318/cm偏移到了242/cm），繼續提高充電電壓我們又在310/cm處觀察到了嵌入BrCl的特征峰（受石墨層影響，從427/cm偏移到310/cm）。同時我們注意到3.2-4.5V整個電壓范圍內我們并沒有觀察到自由態的Br2或BrCl的特征峰，這表明反應生成的0價態Br、Cl都嵌入到了石墨層之中。

作者采用該復合正極、凝膠結構的高濃度水系電解液和高氟醚（HFE）保護的石墨負極組成了全電池，在4.1V、0.2C狀態下能夠發揮出127mAh/g（正極+負極質量），循環150次后容量保持率可達74%（如下圖b所示），如果我們僅考慮該電池正負極的質量，則該電池的能量密度可達460Wh/kg，如果將電解液的重量也考慮在內則該電池的質量能量密度仍然可達304Wh/kg。

300Wh/kg高比能水系鋰離子電池要來了？

王春生教授開發的鹵素轉化型正極材料通過LiBr、LiCl的轉化反應大幅提升了正極材料的可逆容量，同時結合高濃度水系電解液，使得電池的能量密度可達304Wh/kg（不考慮電池結構件），考慮到該電池的水系特性帶來的高安全特性和低環境要求特性使得該電池具有廣闊的應用前景。