基于水系電解液的儲(chǔ)能電池具有安全性高、成本低和倍率性能優(yōu)等特點(diǎn)，近幾年發(fā)展迅速。然而，水系電解液的電化學(xué)窗口較窄(1.23 V)，導(dǎo)致該類型電池的工作電壓一般比較低；且水系電池對(duì)電極材料的選擇較為嚴(yán)苛，穩(wěn)定性和比容量均需大幅提升。低工作電壓、低能量密度等瓶頸使得水系電池的規(guī)模應(yīng)用面臨巨大挑戰(zhàn)。

近期，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員劉宇和副研究員遲曉偉帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)，提出酸堿隔離電解液和雙溶解/沉積型電極反應(yīng)思路，構(gòu)造出一類具有高能量密度(1503 Wh kg-1，基于正極活性材料)的新型水系電池。該體系采用雙極膜將酸-堿電解液隔離，利用電極電位對(duì)電解液PH值的依賴性，將全電池電解液的電化學(xué)穩(wěn)定窗口拓寬至3 V，同時(shí)，電池的正負(fù)極采用了溶解/沉積反應(yīng)(負(fù)極：Zn/Zn(OH)42+;正極：Mn2+/MnO2)，因而賦予了正負(fù)極高達(dá)616 mAh g-1和820 mAh g-1的理論比容量。測(cè)試表明，該電池具有較高的庫(kù)倫效率(98.4%)、優(yōu)異的循環(huán)性能(1500圈后容量保持率為97.5%)和倍率特性。基于該反應(yīng)體系構(gòu)建的液流電池表現(xiàn)出極小的衰減，循環(huán)6000次后容量保持率為99.5%。相關(guān)研究成果發(fā)表在《先進(jìn)能源材料》(Advanced Energy Materials),2020, DOI: 10.1002/aenm.201903589，并得到期刊封面介紹。該研究也為發(fā)展高電壓、高比能量的水系電池提供了新思路。

該工作第一作者為上海硅酸鹽所在讀博士生劉常，導(dǎo)師為劉宇。該工作獲得科技部和中科院等的相關(guān)項(xiàng)目支持。

基于酸堿隔離電解液-雙溶解/沉積型電極反應(yīng)的高比能水系電池反應(yīng)示意圖


新型高比能水系電池的主要電化學(xué)性能