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鋰離子電池以其能量密度高、效率高、自放電率低等優(yōu)點(diǎn)，在便攜式電子產(chǎn)品和電動(dòng)汽車中占有主導(dǎo)地位。然而，由于使用可燃有機(jī)電解質(zhì)造成的嚴(yán)重安全問題，阻礙了鋰離子電池的廣泛應(yīng)用。水性可充電電池不僅比鋰離子電池更安全、更便宜，而且由于使用非可燃廉價(jià)的水溶液(即以水為溶劑的水溶液)作為電解質(zhì)。然而，由于水分解電壓的限制，水性可充電電池的能量密度遠(yuǎn)低于鋰離子電池的能量密度。"

11月19日，南京理工大學(xué)宣布，吳玉平教授和傅立軍教授設(shè)計(jì)了堿性/中性水溶液電解質(zhì)體系，研制了一種高電壓、高能量密度的混合電解質(zhì)電池。有關(guān)研究發(fā)表在國際化學(xué)領(lǐng)域最高學(xué)術(shù)期刊"先進(jìn)能源材料"上。

水性可充電電池是指以水溶液為電解液的可充電電池。"傅立軍說，"水溶液的理論分解電壓為1.23伏特。"由于實(shí)際電池的過電壓，分解電壓可達(dá)1.5伏特，但很難超過2伏。電池的能量密度與電池的電壓成正比，即電壓越高，能量密度越高，電解質(zhì)的電壓窗口決定了電池能達(dá)到的最大電壓。因此，為了提高水性可充電電池的電壓，首先要改善水溶液電解質(zhì)的電壓穩(wěn)定窗口。將堿性溶液與中性溶液組合成混合電解質(zhì)，使電解液的電壓穩(wěn)定窗口提高到3伏特。

在水溶液體系中，中性電解質(zhì)的析氫電位高于堿性電解質(zhì)，析氧電位低于酸性溶液，而中性電解質(zhì)的電壓窗口是三種溶液中最寬的。另外，堿性溶液和中性溶液的結(jié)合比較容易，這樣的組合將大大拓寬電壓穩(wěn)定窗口。"這篇論文的主要作者，南京工業(yè)大學(xué)的袁新海博士說。

在這項(xiàng)工作中，研究小組使用一種陽離子交換膜作為隔膜。"陽離子交換膜可以作為陽離子阻止陰離子，從而保持電解質(zhì)的穩(wěn)定pH值。此外，在這種混合電解質(zhì)體系中，陰離子和陽離子在正負(fù)電解質(zhì)中穩(wěn)定存在。從而保證了電解質(zhì)體系的穩(wěn)定性。袁新海解釋說，只有電解液保持穩(wěn)定，電解液的電壓窗口才能保持穩(wěn)定，電池系統(tǒng)才能保持可逆性和穩(wěn)定性。

解決了電解液電壓穩(wěn)定窗口的問題，下一步是選擇合適的正負(fù)電極材料來構(gòu)成高電壓、高能量密度的水基可充電電池。傅立軍表示，他們注意到鋅是堿性溶液中具有負(fù)電位的負(fù)極材料(相對于標(biāo)準(zhǔn)氫電極的電位為-1.216V)，具有較高的比容量，而錳酸鋰是一種具有較高氧化還原電位和較高比容量的正極材料。"因此，通過將這兩種材料結(jié)合起來，可以獲得更高電壓的水代充電電池。

根據(jù)混合水溶液電解質(zhì)的概念，該團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了一系列水溶液電池和水溶液電容器，分別發(fā)表在"化學(xué)電化學(xué)"、"化學(xué)通訊"、"材料化學(xué)雜志"和"高級科學(xué)"上。