海南大学海洋科学与工程学院副研究员杨金霖在实验室内进行海水电池测试。
受访者供图
海水电池是一种新型储能技术，它以海水作为电解液，能够有效降低电池生产成本，安全且具有可持续性，在海洋探测、水下通信和岛礁供电等领域有着广泛应用前景。但是，目前研制出的海水电池多为一次性电池，无法重复使用。
近日，海南大学田新龙和杨金霖“海洋清洁能源”创新团队研制出了一种基于天然海水电解液的超长循环寿命、可重复充电的氯离子电池。该成果实现了可逆阴离子存储电极的技术突破，是对可持续水系电池的一次革新，可为深远海领域的电能储备与供应提供解决方案。相关研究论文发表在国际学术期刊《美国化学学会杂志》。
攻克氯离子可逆存储技术难题
“我国海域辽阔，海水资源丰富，海水中含有各种溶解性阳离子和阴离子，具有良好的离子导电性。如果能就地取材，使用天然海水作为电池的电解液，则可以解决电池的成本和安全性问题。”海南大学海洋科学与工程学院教授田新龙向记者介绍团队研发可充电海水电池的初衷。
“现有的海水电池多是一次性电池，无法重复使用，导致其在很多领域的应用受限。这是因为一次性海水电池使用的电极材料不具备可逆储存氯离子的能力。”海南大学海洋科学与工程学院副研究员杨金霖告诉记者。
海水电池要实现从“一次性”到“重复使用”，就必须解决氯离子可逆存储电极这一难题。田新龙介绍，不同于常规电池基于锂离子或钠离子等阳离子存储，海水电池的工作原理是基于氯离子存储，氯离子则属于阴离子。传统的电极材料，例如氧化物和硫化物，均无法实现阴离子包括氯离子的可逆存储，因此无法应用于可充电海水电池的开发。
该研究团队通过查阅文献和高通量计算，筛选了10余种潜在的无机氯离子存储材料，并尝试合成其中7种，最终选定MXene这一新型二维材料作为电池储氯电极。
“与传统材料不同，MXene材料是一种具有高导电性的层状材料。”杨金霖介绍。高导电性有助于离子和电子的快速传输，而稳定的层状结构有利于氯离子在材料层间的可逆嵌入和脱出，可以提高电池的循环寿命。
团队研究人员发现，MXene材料具有一种可调控的表面官能团——氯表面端基。此外，该材料的氯表面端基可以与海水中的氯离子形成共价相互作用。这种弱相互作用既可以使氯离子吸附于材料层间，又能够让其快速迁移，从而实现氯离子的可逆存储。
破解更耐腐蚀电池器件材料之困
虽然解决了储氯电极材料这一首要问题，但海水中氯离子的腐蚀性仍待解决。
杨金霖告诉记者，团队在研究初期就发现，海水电池的充电电压很低，循环寿命也达不到要求。通过逐步排除影响因素，研究人员最终发现，氯离子对电池壳体和集流体存在较强腐蚀性，是影响电池性能的主要原因。
针对这一问题，团队开始投入设计更耐腐蚀的电池器件：用更耐氯离子腐蚀的碳纸和钛箔代替传统的铜箔作为集流体;对电池的壳体进行防腐蚀处理;对连接工艺进行优化。这些改进措施有效降低了氯离子对电池的损害，提升了电池的整体性能和稳定性。
“目前锂离子电池最佳运行温度范围在15摄氏度至35摄氏度，而我们开发的海水电池具有宽温工作能力，可以在零下20摄氏度至50摄氏度的温度范围内保持稳定性能。”杨金霖介绍，过低或过高的环境温度都会对电池性能的发挥带来不利影响，甚至引发安全问题。
研究团队认为，这种宽温工作能力拓宽了电池的使用场景，使得电池可以用于需要在极端环境中使用的设备，例如电动汽车和储能基站。面对夏日酷暑和冬日严寒，电池都能维持稳定性能，保障设备持续运行。
在实验中，这款新研制的电池还展现了高可逆容量、高能量密度、超长循环寿命等良好特性。杨金霖介绍，电池的容量和能量密度越高，电池在一次充电后可以使用的时间就越长;长循环寿命则意味着电池可以重复充电—放电使用多次，而依旧保持优异性能。在实验中，新研制的电池可于海水电解液中循环达40000次，这意味着其实际使用寿命将超过1年。
田新龙介绍，新研制的电池用天然海水代替了传统的有机溶剂作为电池电解液，能节约大约10%的生产成本。电池的组装过程也不需要无水无氧的严苛环境，对设备和制造工艺要求较低。因此，预计电池的整体价格能降低20%—30%。
此外，MXene电极材料中不含锂、钴等价格昂贵金属元素，因此这种电池生产成本大幅降低，同时具有无毒环保的优势，可助力推动全球能源的可持续发展、实现我国“双碳”目标。
如何尽快让创新成果实现落地转化?田新龙认为，长远看来，超长循环寿命的海水电池应用前景和潜在环境效益不容忽视，但目前它还面临着诸多技术和市场挑战。“我们还需要解决材料的规模化批量制备、电池器件的结构和工艺优化等问题。”他说。
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