你見過用水做電解液的電池嗎?

當今社會，電池被廣泛應用于新能源汽車、消費電子設(shè)備以及各類儲能系統(tǒng)中。然而，傳統(tǒng)電池在使用過程中存在的安全隱患問題日益凸顯，引起了社會的廣泛關(guān)注。近年來，新型水系電池技術(shù)作為一種新興的儲能解決方案，以其獨特的環(huán)保性和安全性受到熱捧。何為新型水系電池?它與傳統(tǒng)電池有何不同?應用前景又如何?新華日報·交匯點記者日前采訪到相關(guān)科研團隊。

水溶液如何做電解液?

“水系電池從廣義上來說包括鉛酸電池、鎳系電池等強酸強堿的水電解液電池。近年來，隨著人們環(huán)保意識的不斷提升，以水為電解液溶劑的蓄能電池成為研究熱點，這也就是我們所說的新型水系電池。”江蘇師范大學化學與材料科學學院副院長賴超告訴記者，盡管不同電池封裝形式有所不同但基本組成一致，主要包括正極材料、負極材料、電解液以及隔膜四個部分。近年來，鋰電池頻頻引發(fā)安全事故，很大程度上是因為其電解液本身具有可燃性，且鋰元素自身也比較活潑，容易發(fā)生自燃。

在常州市高安全動力與儲能電池重點實驗室，江蘇理工學院教授、常州市電池技術(shù)協(xié)會理事毛武濤向記者展示了其團隊所研發(fā)的水系鈉離子電池，單從外觀看，很像傳統(tǒng)電動自行車所使用的鉛酸電池。“鉛酸電池中的硫酸溶液和鉛元素，都具有污染性，而水系鈉離子電池的電解液中只有水和無機鹽。在電池的充放電過程中，水中的離子會在電極之間移動，參與電化學反應，從而實現(xiàn)電能的存儲和釋放。”

圖為毛武濤團隊研發(fā)的水系鈉離子電池

原理上很好理解，不過是將原本的電池材料做了一些替換。然而想找到效率最高的搭配組合，團隊卻花費了近5年時間。其中最大的困難在于，水做電解液時易被分解為氫氣和氧氣，影響正負極工作，嚴重時還會導致電池內(nèi)部膨脹。“我們在電解液中加入能夠延緩水分解的緩沖劑，通過改變水本身的微觀結(jié)構(gòu)，使之更穩(wěn)定。此外，還借助類似荷葉的疏水效應讓水和電極相互吸附的作用力更弱一些，減少水侵蝕到電極。”

和毛武濤團隊一樣，賴超團隊也通過加入電解液添加劑的策略有效解決了水系電池析氫的問題。“目前，我們正聚焦新型水系鋅離子電池的研發(fā)，和鋰離子電池相比，這種電池具有高安全和低成本的特性;而相比傳統(tǒng)鉛酸電池，水系鋅離子電池具有能量密度高和安全環(huán)保的優(yōu)點。”

同樣以水溶液作為電解液，所有新型水系電池都面臨著析氫難題。賴超團隊另辟蹊徑，嘗試把水系電池的電解液做成類似果凍一樣的凝膠態(tài)。“行業(yè)內(nèi)我們稱之為準固態(tài)凝膠電解質(zhì)，這種電解質(zhì)不僅可以鎖定電解液，且和液態(tài)電解液一樣可以實現(xiàn)離子傳導。這樣一來，能有效解決鋅離子的枝晶和析氫等問題，在軟包電池中將鋅離子電池的循環(huán)壽命提升3倍以上。”

圖為賴超團隊研發(fā)的寬溫域和高功率凝膠電解質(zhì)

新型水系電池用在何處?

“新型水系電池既環(huán)保又安全，那能用于新能源汽車嗎?”采訪現(xiàn)場，記者分別向兩個團隊提問，答案一致是不能。

“電池的種類非常多，每一種都有著各自的優(yōu)劣，比如鋰電池能量密度高但成本高，且存在一定安全隱患，目前主要適用于動力電池;鉛酸電池有著160多年的歷史，安全性高且成本低，但循環(huán)壽命短、對環(huán)境有污染;而新型水系電池能量密度高于鉛酸電池但不及鋰電池，其應用場景更多是電動自行車和大規(guī)模儲能領(lǐng)域，特別是在需要高安全性、高環(huán)保性和低成本的場景中。”賴超說。

“目前大多的基站使用鉛酸電池作為儲能設(shè)備，一旦出現(xiàn)應用故障，這些鉛酸電池可以作為直流電源維持其他設(shè)備運行。但由于鉛酸電池的自放電特性，其電量保有的時間不長，往往隔幾年就要換新。鉛酸電池對環(huán)境不友好，且多次換新勞民傷財，相比之下，水系電池全壽命周期更長，是一個更理想的選擇。”毛武濤告訴記者，目前來看，新型水系電池的使用壽命和電池保養(yǎng)時間可以達到10年，其高功率密度和長壽命特性可以用于電網(wǎng)調(diào)峰填谷、應急備用電源等。“作為新能源配套儲能系統(tǒng)的重要組成部分，新型水系電池有助于解決新能源發(fā)電的間歇性和不穩(wěn)定性問題，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。”

除此之外，賴超團隊還嘗試將其研發(fā)的水系鋅離子電池應用于電動自行車。“徐州是全國電動自行車生產(chǎn)的重要基地，然而生產(chǎn)的電動車出廠都是不帶電池的，原因在于運輸和儲存過程中存在風險。和電池相比，單純車架的利潤比較低，而如果換成準固態(tài)鋅離子電池，其內(nèi)部更安全環(huán)保，更有利于整車出廠運輸。”

電池領(lǐng)域的下一個風口?

半年前，毛武濤團隊在實驗室里用水系鈉離子電池搭建了一個充放電裝置，其電量可以保有近1千瓦時電。為了測試該電池使用性能，團隊每天對其充放電各一次，測試目前仍在進行中。

“別看只有1千瓦時電，但難度不小。以前小范圍實驗我們的材料制備往往只需要幾克，而計量放大后，我們可能一次要制備一公斤。盡管如此，1千瓦時電距離電站以10萬千瓦時電為單位的保電量還有很大的差距。”毛武濤說，新型水系電池的發(fā)展是一個漫長且充滿創(chuàng)新的過程，從實驗室里的1千瓦時電，到實際中的100千瓦時、1000千瓦時、1萬千瓦時電。放大儲電容量后如何保證電池使用效果不變，是大家都在探索的事。

在賴超看來，將新型水系電池視作電池領(lǐng)域的下一個風口，目前來說還為時過早。“任何一個新的電池體系，都需要經(jīng)過很長時間的驗證。盡管目前新型水系電池市場很熱，研究的人也越來越多，但目前全球范圍內(nèi)還沒有完全成熟的新型水系電池產(chǎn)品。”

眼下，賴超團隊研發(fā)出了一款寬溫區(qū)、長壽命、高能量轉(zhuǎn)化效率的新型準固態(tài)鋅動力電池，在推廣應用以后有望解決當前普通電動自行車電池的安全隱患。“目前這款電池已完成實驗室階段的測試，下一步是上車檢測，期待盡快可以實現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化。”賴超說。