近日，南京工業(yè)大學對外宣布，該校吳宇平、付麗君教授團隊設計了一種堿性/中性混合的水溶液電解質體系，將水溶液電解質的電壓穩(wěn)定窗口提高到了3伏，并研發(fā)出高電壓、高能量密度水溶液混合電解質可充電電池。

鋰電池以其高能量密度、高效率和低自放電率在便攜式電子產品和電動汽車中占據主導地位，然而使用易燃的有機電解液所引起的嚴重安全問題阻礙了其廣泛應用。而水性可充電電池雖然成本低、運行安全性高、環(huán)境友好，但由于受到水的分解電壓的限制，其能量密度遠低于有機鋰電池。

水性可充電池是指用水溶液作為電解質的可充電電池。付麗君教授介紹，水溶液的理論分解電壓是1.23伏，實際電池中由于存在過電勢，分解電壓可以達到1.5~2伏，但很難超過2伏。我們通過使用陽離子交換膜，用堿性溶液和中性溶液組合成混合電解液體系，將水溶液電解質的電壓穩(wěn)定窗口提高到了3伏。

在水溶液電解質體系中，中性電解液的析氫電位高于堿性電解液，析氧電位低于酸性溶液，但是其電壓窗口是3種溶液中最寬的。另外，堿性溶液和中性溶液的組合相對較為容易，而且這樣的組合將拓寬水溶液體系的電壓穩(wěn)定窗口。論文第一作者、南京工業(yè)大學袁新海博士表示。

在此項工作中，研究團隊使用了陽離子交換膜作為隔膜。陽離子交換膜可以起到傳輸陽離子、阻隔陰離子的用途，從而使電解液保持穩(wěn)定的pH值。另外在這個混合電解液體系中，陽離子在兩端電解液中都是穩(wěn)定存在的，從而保證了電解液的穩(wěn)定性。袁新海解釋道，電解液的穩(wěn)定才能保證電池體系的穩(wěn)定，從而使電解液體系的電壓窗口保持穩(wěn)定。

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電解液的電壓穩(wěn)定窗口解決了，下一步就是選用合適的正負極材料來構建高電壓、高能量密度水溶液電池。付麗君介紹。

研究團隊在以往的實驗中發(fā)現，鋅是在堿性溶液中具有負電位且具有較高比容量的金屬負極，而錳酸鋰是在中性電解液中具有較高氧化還原電位和較高比容量的正極材料。將這兩種材料結合起來，可以得到較高電壓的水性可充電池。

這種水溶液電池由于使用了不可燃且價格低廉的水溶液作為電解質，不僅比鋰電池更安全、成本更低，也更容易制備。這是因為鋰電池須在無水無氧條件下制備，對水和氧氣含量的要求非常高。

該研究團隊基于這種混合水溶液電解質的概念，還開展了一系列水溶液電池和水溶液電容器的工作，相關工作成果分別發(fā)表在《化學電化學》《化學通訊》《材料化學學報A》和《先進科學》上。