你见过用水做电解液的电池吗?
当今社会，电池被广泛应用于新能源汽车、消费电子设备以及各类储能系统中。然而，传统电池在使用过程中存在的安全隐患问题日益凸显，引起了社会的广泛关注。近年来，新型水系电池技术作为一种新兴的储能解决方案，以其独特的环保性和安全性受到热捧。何为新型水系电池?它与传统电池有何不同?应用前景又如何?新华日报·交汇点记者日前采访到相关科研团队。
水溶液如何做电解液?
“水系电池从广义上来说包括铅酸电池、镍系电池等强酸强碱的水电解液电池。近年来，随着人们环保意识的不断提升，以水为电解液溶剂的蓄能电池成为研究热点，这也就是我们所说的新型水系电池。”江苏师范大学化学与材料科学学院副院长赖超告诉记者，尽管不同电池封装形式有所不同但基本组成一致，主要包括正极材料、负极材料、电解液以及隔膜四个部分。近年来，锂电池频频引发安全事故，很大程度上是因为其电解液本身具有可燃性，且锂元素自身也比较活泼，容易发生自燃。
在常州市高安全动力与储能电池重点实验室，江苏理工学院教授、常州市电池技术协会理事毛武涛向记者展示了其团队所研发的水系钠离子电池，单从外观看，很像传统电动自行车所使用的铅酸电池。“铅酸电池中的硫酸溶液和铅元素，都具有污染性，而水系钠离子电池的电解液中只有水和无机盐。在电池的充放电过程中，水中的离子会在电极之间移动，参与电化学反应，从而实现电能的存储和释放。”
图为毛武涛团队研发的水系钠离子电池
原理上很好理解，不过是将原本的电池材料做了一些替换。然而想找到效率最高的搭配组合，团队却花费了近5年时间。其中最大的困难在于，水做电解液时易被分解为氢气和氧气，影响正负极工作，严重时还会导致电池内部膨胀。“我们在电解液中加入能够延缓水分解的缓冲剂，通过改变水本身的微观结构，使之更稳定。此外，还借助类似荷叶的疏水效应让水和电极相互吸附的作用力更弱一些，减少水侵蚀到电极。”
和毛武涛团队一样，赖超团队也通过加入电解液添加剂的策略有效解决了水系电池析氢的问题。“目前，我们正聚焦新型水系锌离子电池的研发，和锂离子电池相比，这种电池具有高安全和低成本的特性;而相比传统铅酸电池，水系锌离子电池具有能量密度高和安全环保的优点。”
同样以水溶液作为电解液，所有新型水系电池都面临着析氢难题。赖超团队另辟蹊径，尝试把水系电池的电解液做成类似果冻一样的凝胶态。“行业内我们称之为准固态凝胶电解质，这种电解质不仅可以锁定电解液，且和液态电解液一样可以实现离子传导。这样一来，能有效解决锌离子的枝晶和析氢等问题，在软包电池中将锌离子电池的循环寿命提升3倍以上。”
图为赖超团队研发的宽温域和高功率凝胶电解质
新型水系电池用在何处?
“新型水系电池既环保又安全，那能用于新能源汽车吗?”采访现场，记者分别向两个团队提问，答案一致是不能。
“电池的种类非常多，每一种都有着各自的优劣，比如锂电池能量密度高但成本高，且存在一定安全隐患，目前主要适用于动力电池;铅酸电池有着160多年的历史，安全性高且成本低，但循环寿命短、对环境有污染;而新型水系电池能量密度高于铅酸电池但不及锂电池，其应用场景更多是电动自行车和大规模储能领域，特别是在需要高安全性、高环保性和低成本的场景中。”赖超说。
“目前大多的基站使用铅酸电池作为储能设备，一旦出现应用故障，这些铅酸电池可以作为直流电源维持其他设备运行。但由于铅酸电池的自放电特性，其电量保有的时间不长，往往隔几年就要换新。铅酸电池对环境不友好，且多次换新劳民伤财，相比之下，水系电池全寿命周期更长，是一个更理想的选择。”毛武涛告诉记者，目前来看，新型水系电池的使用寿命和电池保养时间可以达到10年，其高功率密度和长寿命特性可以用于电网调峰填谷、应急备用电源等。“作为新能源配套储能系统的重要组成部分，新型水系电池有助于解决新能源发电的间歇性和不稳定性问题，提高电网的稳定性和可靠性。”
除此之外，赖超团队还尝试将其研发的水系锌离子电池应用于电动自行车。“徐州是全国电动自行车生产的重要基地，然而生产的电动车出厂都是不带电池的，原因在于运输和储存过程中存在风险。和电池相比，单纯车架的利润比较低，而如果换成准固态锌离子电池，其内部更安全环保，更有利于整车出厂运输。”
电池领域的下一个风口?
半年前，毛武涛团队在实验室里用水系钠离子电池搭建了一个充放电装置，其电量可以保有近1千瓦时电。为了测试该电池使用性能，团队每天对其充放电各一次，测试目前仍在进行中。
“别看只有1千瓦时电，但难度不小。以前小范围实验我们的材料制备往往只需要几克，而计量放大后，我们可能一次要制备一公斤。尽管如此，1千瓦时电距离电站以10万千瓦时电为单位的保电量还有很大的差距。”毛武涛说，新型水系电池的发展是一个漫长且充满创新的过程，从实验室里的1千瓦时电，到实际中的100千瓦时、1000千瓦时、1万千瓦时电。放大储电容量后如何保证电池使用效果不变，是大家都在探索的事。
在赖超看来，将新型水系电池视作电池领域的下一个风口，目前来说还为时过早。“任何一个新的电池体系，都需要经过很长时间的验证。尽管目前新型水系电池市场很热，研究的人也越来越多，但目前全球范围内还没有完全成熟的新型水系电池产品。”
眼下，赖超团队研发出了一款宽温区、长寿命、高能量转化效率的新型准固态锌动力电池，在推广应用以后有望解决当前普通电动自行车电池的安全隐患。“目前这款电池已完成实验室阶段的测试，下一步是上车检测，期待尽快可以实现成果转化。”赖超说。
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