水溶液鋰離子電池工作原理

在水性電解液，它們的氧化還原電位的差異是非常大的，它們的組合將建立一個可再充電的電池系統的概略結構的組裝的水可再充電鋰的電池(ARLB)使用的被覆的鋰金屬作為陽極和錳酸鋰作為陰極，其CV曲線的掃描速度為0.1mV/s,有兩對氧化還原峰，分別位于4.14/3.80和4.28/3.93V。氧化還原反應如下所示：在充電過程中，只有一個在陽極反應。Li+離子從水性電解液運輸通過被覆層，減少在鋰金屬表面和沉積Li金屬。在陰極上進行兩種反應：Li+的陽離子去地嵌入從四面體8a的和八面體16c的站點，隨后，造成兩對氧化還原峰，和有機電解質的行為類似。在放電過程中，反向的過程發生。

因此，在我們的ARLB的CV曲線有兩對氧化還原峰。這表明，我們上面的電池化學涂層的鋰金屬，0.5mol.L-1Li?SO?/LiMn?O?可以在水性電解液的可充電電池平均輸出電壓高于3.8V，遠高于水的理論分解電壓，即1.229V。

水溶液鋰離子電池的優點

水溶液鋰離子電池由于安全性能高，不會起火，離子導電率高，且成本也低，已經成為下一代大型儲能電池發展的優選方向。鋰離子電池的重要工作原理是依靠鋰離子在正負電極之間的遷移而出現電流的，這種遷移在溶液中進行，常常會使電池自身發生損耗。

吳宇平教授開創了新的思路：用高分子材料和無機材料制成復合膜，包裹在金屬鋰外。而這層復合膜成為鋰離子的電位在正負極之間時空穿越的隨意門。吳宇平說：你可以把它想象成鋰離子的電位經過膜，一下就到了負極，然后又直接從負極回到正極，就好像科幻片中，人跨過時光門可以直接在地球和外太空之間往返。因此，吳教授也把這一新發現稱作電位穿越。

這種新型水溶液鋰離子電池將以突出的安全性、耐用性，成為新能源產品的大力士。用它裝備的電動汽車的行駛距離有望達到400公里，而裝備等同體積的傳統鋰電電動汽車出行距離僅為150180公里。

復旦大學教授吳宇平教授有關水溶液鋰離子電池體系的最新研究，可將鋰離子電池性能提高80%。電動汽車只需充電10秒即可行駛400公里，這種電池成本低廉，安全不易爆炸。

該課題組向記者展示了這種鋰離子電池體系。一片薄薄的金屬鋰，被特制的復合膜緊密包裹，將其置于pH值呈中性的水溶液中，與鋰離子電池中傳統的正極材料尖晶石錳酸鋰組裝，即可制成平均充電電壓為4.2V、放電電壓為4.0V的新型水鋰電，這一成果大大突破了水溶液的理論分解電壓1.23V。

吳宇平課題組的這項成果對發展新型的低成本、易大規模生產、安全環保的蓄電池體系供應了可能。據稱，新型的水鋰電采用水溶液作為電解質，阻燃性增強，使電池在使用過程中不易發燙發熱，安全性能高;用高分子材料和無機材料制成復合膜，能將電池的能量損耗降到5%以下。

據估計，假如將這種電池用于手機，同樣大小的電池至少能將手機通話時間延長一倍，成本則不足原有的一半;用于汽車同樣如此，對環境構成的污染也比現有鋰離子電池小得多。