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中科院物理所（ID：cas-iop）
水是人们生活中最常见的物质之一。一提起水和科学，小编总是会想到和水有关的各种百思不得解的骗局。毕竟总有一些民科想从身边最常见的事物身上想搞一些大新闻。
从小编出生开始，就总是听说有人想把水和能源挂上钩，趁机再从中捞一把，可最终还是吃了没有文化的亏。
水的骗局
1997年王洪成的“水变油”案件结案，一场持续了4年的闹剧从此终结。我们现在小学生可能都会觉得“水变油”是不可能的。但是在当时，王洪成精湛的“骗计”，再加上变戏法的手段，在媒体面前移花接木，让人以为水真的可以变油。这样的骗局吸引了一大批民众的关注，甚至主流媒体都多次报道。
图 | 来源：网络
用水替代能源的知名骗局中，20世纪80年代，国外还有一位叫Stanley Meyer的人，他声称自己的“水动力”沙滩车，可以用四升水开180公里。小编粗略的算了一下，根据氢气和常规汽油的热值，就算把四升水以100%的效率完全转化成氢气，再从氢气以100%的效率转化成动力，都比不过汽油能够产生的动力。
四升水开180公里？现在常规汽油车百公里都要5升汽油。我小学二年级的算数一算都能算出问题，这位外国“发明家”还真敢骗。
再到前几年国内突然又被提到公众面前的，“水氢发动机”名字起得到挺好，知道里面加一个氢字。毕竟“水动力”的名字，现在小学二年级的同学一看都觉得不可能。其实听起来也没啥新意，原理上貌似也行得通——水变成氢气，氢气燃烧再产生水和能量。这倒还算有一些21世纪骗子的“科学操守”。
但问题关键就在于水变成氢气的能量是从哪里来的，你说依靠太阳能也好，风能也罢，就在这样空手套白氢的，把水转化成氢气了？果不其然今年2月份，该集团的子公司就对外宣布开始进入破产清算的程序。
水的内心表示：我是无辜的啊！
小编今天就要给水一个清白。要说水和供能没有关系？那还真不是，你知道水系电池吗，电池加了水竟然就可以工作了，只不过在这种电池里并不是供能物质，而是主要起到电解液的作用。
锂电池是怎么“火”的？
近年来锂离子电池发展迅速，虽然这项技术从1990年才开始商业化，但就这三十年的时间，锂离子电池的成本已经降低了90%以上，并成为了未来中国新的经济增长点。绿色能源普及和能源互联网的建立，对储能设备提出了要求——能量密度高，成本低，环境友好，安全性好。
不过但凡问一个不懂行的普通人，他们对锂离子电池的担忧是什么，大多数人都会说安全。毕竟锂离子电池而发生的起火事故，都和能量密度很高的锂离子电池有关。锂离子电池能起火还不是因为电池里面使用了有机电解液？
图 | 机械、电气和热滥用以及电池缺陷会引起热失控 来源：cell.com
现在电池的安全性，从材料层面一直到电池组层面都有了很好的保障。比如电池组层面的管理可以保证电池单体不会被滥用，电解液添加阻燃添加剂可以尽可能阻止大规模火灾的发生，除此之外温度控制，气体保护都能够很好的保证电池组的安全。
图 | 锂离子电池热失控原因和对应解决措施 来源：cell.com
图 | 电池组热失控原因和对应解决措施 来源：cell.com
上面两张图没看懂没关系，你只需要知道，在电池里面，但凡有一点点“热失控”的可能，研究人员都能给你解决得明明白白的。而且你也很明显的看到，为了保证锂离子电池安全性需要多么复杂的工艺和技术。
水系电池
电动车里的锂电池如此，但是要是把锂离子电池这一套系统用在储能站上，那就又有新的因素要考虑了。除了安全性之外最要紧的就是成本。锂离子电池本身制造条件严格（干燥），而且但凡我们想用于大规模储能，为了安全性而付出的成本，其实也是很高的。谁又希望在自己小区里放一个有可能会boom的大块头呢？
分散式储能电站，其实对能量密度要求没有那么高。只要成本允许做一个一层楼高的储电站，放在小区里供电，也是可以接受的，只要能储存够多的电量，做大点也没问题。什么？你想做成两层楼高的储能电站？那也没问题。
此时小编只想掏出一本名为“水系电池”的法宝，因为这种电池里电解液用到的溶剂是水。那这下就好办了，安全性基本上就可以保证了，相对于传统锂离子电池相对的安全性，这是种绝对的安全性，水能有什么坏心眼。
水系电池是指以水为电解液的二次电池。你说水系电池水吧，它可是一点儿都不水，水系锂离子电池还有第三个特点。那就是用水做溶剂的电解液离子电导率普遍比有机电解液高2个数量级，所以即使是做成又大又厚的电池，也能够保证比较快的充放电速率。这能够更好的发挥储能设备在绿色电网中的消峰填谷作用。
图 | Jaff Dahn首次提出的水系电池体系 来源：sciencemag.org
1994年Jaff Dahn教授首次提出了首个水系锂离子电池。采用的是锰酸锂为正极，氧化钒为负极，硝酸锂和氢氧化锂水溶液为电解液。
首先我们需要知道，电池的能量密度由这个电池电极材料的容量和电压决定——近似等于两者的乘积。直到现在，研究人员一直在针对水系电池最突出的问题进——能量密度低进行攻关，因为电池的电压受制于水的分解电位。当然啦水系电池目前还有副反应严重、集流体腐蚀等一些需要解决的问题。
理论上在电化学范畴，在pH=0时，高于1.23V水会被氧化为氧气，低于0V会被还原为氢气。水系电池能对外输出多少电压，或者能够在充电时承受多少电压，那么就需要水能够承受多少电压。所以从这个角度来看，水系电池理论上只能输出不超过1.23V的电压。我们称这个电解液能够输出的电压大小为，电压窗口。
图 | 水的电化学窗口随pH值的变化和常见锂离子正负极电池材料的氧化还原电势 来源：acs.org
一般来说正极的电位不要高于电解液的电化学窗口上沿（氧化窗口），负极电位不要低于电解液的电化学窗口下沿（还原窗口）。这样才能保证电解液在电池充放电过程中的稳定。
进一步的，正极电位尽可能接近窗口上沿，负极电位尽可能接近窗口下沿。这样就能保证在该电解液体系中电池能够输出更大的电压，于是水系电池的能量密度就能够尽可能得到满足。
图 | 不同盐浓度下的溶剂化结构 来源：sciencemag.org
再进一步，如果考虑到水分解本身也需要一定的过电势，而且电解液会在电极表面生成一层钝化膜，电解液的窗口能够被进一步的拓宽。甚至采用高浓度的盐溶液，也就是电解质加得多多的，此时的溶剂结构非常神奇，电解液的窗口能够进一步被拓宽。2015年提出的“盐包水”电解液，能够将水系电池窗口拓宽至3－4V。这基本上都能够赶上锂离子电池的输出电压了。高浓度盐类溶液拓宽窗口对于锂离子电池，尤其是水系电池电解液的原理很是神奇，以后再给大家讲。
相比较其他已经商业化的电池，水系电池的应用场景也很是明确——储能领域，近几年该方向的研究论文数量也在飞速增长。
图 | 近年水系电池相关文章数量变化 来源：acs.org
所以，每当有人鄙视我们生化环材发文章靠“灌水”，小编就很不服气，没错啊，我就是在给电池灌水啊，不灌水电池能工作吗？
特别鸣谢：感谢大师姐对本篇文章审核并提供了相关资料~
[1] Kim H, Hong J, Park K Y, et al. Aqueous rechargeable Li and Na ion batteries. Chem.Reviews, 2014, 114(23): 11788-11827
[2] Suo L, Borodin O, Gao T, et al. “Water-in-salt” electrolyte enables high-voltage aqueous lithium-ion chemistries. Science, 2015, 350, 938-943.
[3] Li, W.; Dahn, J. R.; Wainwright, D. S. Science 1994, 264, 1115.
[4] - cell.com
[5] - cailiaoniu.com
[6] - tcct.com
[7] - acs.org
审核：Yue
编辑：Kun
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