中国水系电池重大突破？能量密度超固态电池？还本质安全不燃爆

中国水系电池取得重大突破？能量密度竟超锂离子电池一倍，甚至超过一些固态电池？你知道这意味着什么吗？水系电池是一种本质上安全不燃爆的电池，如果能量密度再超过锂离子电池，这意味着电池领域将可能出现一条新的赛道，怪不得外媒评论说，这项突破有可能会给电动汽车行业带来革命性的转变。

这项研究来自中科院大连化学物理研究所李先锋、傅强教授领导的团队，他们开发出一种基于卤素多电子转移的高能水系电池，能量密度竟高达1200Wh/L，是目前能量密度最高的水系电池，而且是数量级的提升，而目前商用锂离子电池大多在400-700Wh/L。

比如台湾辉能已经量产的固态电池，体积能量密度是1025Wh/L，质量能量密度是383Wh/kg，而前段时间宣称装车的智己汽车半固态电池是368Wh/kg，蔚来的是360Wh/kg。水系电池竟一下子超过了这些大热门，可以说完全出乎人们的意料之外，你知道我为什么要这样说吗？

水系电池两大缺点

因为水系电池最为人诟病的，就是它的能量密度很低，可以说远低于锂离子电池，而且是本质上的低，骨子里的低，这是什么原因呢？水系电池中离子是通过电解质溶液的形式传导，但水作为溶剂它的溶解能力很有限，离子浓度很难提高，这意味着能够参与电池反应的活性离子数量有限，从而限制了电池中的有效电荷转移，降低了能量密度。比如传统的水系电池，像是全钒液流电池和锌溴液流电池，其能量密度只有约30Wh/L和60Wh/L，只适合用作大规模的固定储能。

水系电池另一个为人诟病的，就是它的电压比较低。这是因为它受制于水分解电压，通常只有1.23V左右。超过这个值，水就会电解成氢气和氧气，导致电池无法正常工作，水系电池因而能提供的总能量有限，不适合作为电动汽车的动力电池。

一举解决两大问题

而大连团队的这项研究，利用碘、溴离子混合的卤素溶液作为电解质，通过充放电过程中形成的溴化物中间态优化反应路径，就像架起了一座座宽阔的桥梁，成功地实现了多电子转移反应，大幅提高了电化学反应的活性和可逆性。

实验结果显示，在一定浓度的碘离子电解质中，水系电池可以实现超过30摩尔的电子转移，让电池正极侧的比容量超过了840Ah/L。当把这种正极与金属镉负极组成全电池时，能量密度竟超过1200Wh/L，已经可以用于动力电池了。

通过原位光学显微镜、拉曼光谱等手段，研究团队还发现，溴离子可在电池充电过程中生成极性的溴化碘，有利于和水反应形成碘酸根，从而提高了反应速率并降低了充电电压。

而在放电过程中，碘酸根通过与溴离子反应生成溴并参与电化学反应，实现了碘酸根的可逆、快速放电，这不仅提高了电池的放电电压，还同时提高了碘酸根的还原速率。这意味着水系电池的电压问题也有望得到解决，从而有应用于动力电池领域的可能。

但电池领域那么多研究，各种突破层出不穷，就跟过家家似的，为什么说这项研究可能具有重大突破意义呢？

重大意义

电池实际可分为三类，物理电池、生物电池和化学电池。光伏、热电、压电属于物理电池，微生物燃料电池、酶燃料电池属于生物电池。

我们平常所说的电池通常是指化学电池，可分为一次电池和二次电池，即不可充电的和可充电的，可充电的一般又分为三种，水系电池、有机离子电池和燃料电池，有机离子电池包括目前的锂离子和钠离子电池，燃料电池则有氢燃料电池、甲醇燃料电池等。

所谓水系电池，是指以水为电解液溶剂的电池，如镍氢电池，以前也曾辉煌过一时；铅酸电池，汽车上广泛使用，但可能即将辉煌不再；还有锌基电池，包括锌-镍和锌-空气电池等。

镍氢电池和铅酸电池是最典型的水系电池，曾经也是辉煌无比。但随着电动汽车的兴起，锂离子电池凭借能量密度高一跃而成为电池领域的超级巨星，光芒万丈，而镍氢电池和铅酸电池的电压最高也只有2V，一下子就黯然失色，不得不败下阵来，可能都要面临生存危机了。

然而锂离子电池春风得意马蹄爽，却也暴露了两大致命性的问题，成本高、易燃爆，昂贵又暴躁，让见异思迁的人们又开始怀念成本低、不可燃、无毒性、本质上安全的水系电池了。年龄大一点的人，可能都用过锌碳电池，也就是干电池，小时经常砸开，取出里面的碳棒用来涂鸦，你听过说它燃爆吗？只是水系电池一直不争气，电压和能量密度难以提高，才让锂离子电池益发嚣张，肆无忌惮地燃爆，夺走了一条又一条生命。

大连团队的这项研究，在能量密度和电压上都取得了突破，是不是可以让水系电池扬眉吐气，收复旧山河，赶走脾气火爆的锂离子电池，重新夺回被抢占的失地呢？

虽然曙光乍现，充满希望，但水系电池的前路，可能仍然道阻且长，宛在水中央。目前取得最高能量密度的镉负极，虽然循环寿命超过了300次，能效达78%，但比起锂离子电池来仍有不足，并且镉更稀有还有毒，所以还需要寻找其他负极材料。而使用钒负极，虽然循环寿命超过了1000次，和锂离子电池差不多，但能量密度可能还不尽如人意。

最关键的是，虽然这种水系电池电压有所提高，但只达到了约2V，而锂离子电池通常可以达到3.0至4.2V。并且所有这些成果，目前都还只是实验室的初步数据，所以水系电池要想取代锂离子电池，可能还有很长的路要走。

当然，你也不要完全悲观，因为此前已有研究，通过调整电解质的组成或添加剂，使水系电池的电化学窗口扩展到了3.23V，这是中科院物理所/北京凝聚态物理国家研究中心怀柔研究部HE-E01组在2022年取得的进展。

大连团队在论文中认为，这项研究有开发出安全且高能量密度水系电池的可能，为电网规模的能源存储甚至电动汽车提供了新的开发选择。

这项研究发表在4月23日《自然-能源》杂志上。

参考：Reversible multielectron transfer I−/IO3− cathode enabled by a hetero-halogen electrolyte for high-energy-density aqueous batteries