水溶液鋰電池體系，是由復旦大學教授吳宇平課題組的一項重磅研究成果。研究成果刊發于《自然》(Nature)出版社旗下期刊《科學報道》(Sci.Report)。這項關于水溶液鋰電池體系的最新研究，可將鋰電池性能提高80%。電動汽車只需短暫充電即可行駛400公里，這種電池成本低廉，安全不易爆炸。

2013年3月最新一期《自然》(Nature)雜志子刊《科學報道》(Sci.Report)刊發了復旦大學教授吳宇平課題組的一項重磅研究成果——水溶液鋰電池體系。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。該體系計算的實際能量密度大于220Wh/Kg(瓦時/公斤)，能量效率高達95%，預計裝備這一新型水鋰電的電動汽車的行駛距離可達400公里，而在售電動車出行距離僅為150-180公里。

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提供了可能。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。

如果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電池小得多。

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。從上面的圖中，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-1Li2SO4/LiMn2O4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。

水鋰電池

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圖3：（一）示意圖我們設計的可再充電鋰水溶液的電池（ARLB）使用的被覆的鋰金屬作為陽極，錳酸鋰作為陰極和0.5mol.L-1Li2SO4水溶液作電解質，及（b）簡歷ARLB的掃描速率為0.1mVs-1的。的電勢變化的Li+離子在我們設計ARLB的是，在圖4中所示。鋰金屬具有最低的氧化還原電位，-3.05V（相對于標準氫電極，SHE），并迅速與水反應，產生氫氣和LiOH。此外，鋰金屬的電位是遠低于析氫，氫將容易地生產。然而，在我們的例子中，的涂層鋰金屬是很穩定，在水溶液電解質和有沒有析氫。主要的原因是，Li+離子可以跨越通過涂層的析氫的電勢范圍內，并直接到達的鋰金屬。此交叉的是類似的小區membrane24兩側之間的電勢變化。在涂層中Li+離子的電位的急劇減小從正到負。Li+離子的外側的涂層有更高的電勢，是非常穩定的。Li+離子在涂層內部不與水接觸，不能給電子原子李導致生產氫的水。順便說一下，水和質子無法進入內部的涂層，它們無法到達足夠的低電位來生產氫氣。至于LiMn2O4正極，它是穩定的，因為它的潛力是在水中下面，對氧的演化和遠高于析氫。

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圖4：LiMn2O4在電解液和被覆的鋰金屬之間的移動過程中Li+離子的電位的示意圖。

在圖5中所示的在3.7和4.25V之間的ARLB的電化學性能。在恒流充的ARLB曲線在電流密度為100毫安克-1有兩個不同的電壓在4.04和4.18V.高原在放電過程中的錳酸鋰的質量的基礎上，兩個電壓高原出現在4.07和3.94的V，分別。這是兩對夫婦以上的CV曲線中觀察到的氧化還原峰，與脫嵌Li+離子進入尖晶石錳酸鋰的嵌入和良好的協議。約為4.0V，0.2V高于那些基于LiMn2O4的陰極和石墨碳陽極的鋰離子電池的平均放電電壓。放電和充電電壓的基礎上，將能源效率在95%以上，高于那些為鋰離子電池（約90%）和其他的電池systems12，22，25。此電池的初始充放電容量根據錳酸鋰的質量上的130和115毫安克-1，分別與初始庫侖效率是88.5%。這些值是那些在有機electrolyte7類似。的能力遠高于-solution12基于新的液體陰極。當然，在使用有機電解質的鋰離子電池，錳酸鋰應摻雜或涂層，以確保其良好的循環performance26，其可逆容量是110毫安克-1以下。這里LiMn2O4的不需要摻雜或coating16，17，而實際上是高于在有機電解質中的錳酸鋰的比容量在ARLB。

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圖5：我們的設計ARLB的電化學性能，在電流密度為100毫安G-13.7和4.25V之間的質量錳酸鋰的基礎上：（一）恒電流充放電曲線在第一個周期及（b）騎自行車的行為。

Li金屬陽極和LiMn2O4正極的放電電壓和容量的基礎上，根據電極材料的總質量的ARLB放電能量密度是446瓦時千克-1，遠高于比以前報道ARLBs那些（30-45瓦千克-1）14，15，16，17，18，19，20，21。當然，它是高于用于鋰/M+水溶液和其他液流batteries3，4，5，9，12。一半的能量密度的鋰離子電池的制造技術的基礎上，可以作出幾乎available7，14，這意味著實際能量密度是220瓦時千克-1以上，高于約80%，相應的李離子電池的電動車輛（120瓦時千克-1為C/有機electrolyte/LiMn2O4）6，7。這種高能量密度表示，純電動汽車一次充電可以跑200-400公里。

循環期間，在電流密度為100毫安克-1根據庫侖的ARLB效率幾乎是100%除第一周期中，這是用于鋰離子電池的類似的質量上的LiMn2O4。這種高庫侖效率也表明，水是非常穩定的，有沒有明顯的副反應的質子或水。30個完整的周期后，其放電容量仍保持十分穩定，在周圍115毫安G-1，這意味著沒有明顯的發生在第30次循環的容量衰減。這表明，這種電池的化學反應的循環性能是非常優秀的，這是類似的LiMn2O4在傳統的ARLBs（見圖S4A支持信息：200次循環后容量衰減沒有明顯的這錳酸鋰正極）。在后者的情況下，錳酸鋰可以保留10000完整的周期，這是優于其他種充電batteries16，17的后93%的容量。的高分子電解質的Li金屬，可以緩沖的體積變化，在溶解過程中，化學鍍，以確保其良好的與涂層接觸。這也是很重要的，以獲得優良的循環性能。

水鋰電池

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在傳統的鋰金屬二次電池，鋰金屬作為負極材料的使用受到限制，主要是鋰枝晶的安全問題，因為他形成在反復的充放電過程中導致短路。在我們的設計中，如在圖1中示出，鋰金屬涂敷由GPE和LISICON膜。將抑制鋰枝晶的形成在GPE27由于其較高的粘度比的有機液體電解質。即使當鋰枝晶形成，它們不能生長通過LISICONfilm11，12，22。其結果是，Li金屬陽極的安全性和循環性能得以確保。

水電解質在此ARLB系統，具有高的熱容量，并能吸收大量的熱量。在相同的充電和放電過程中，該系統的溫度要低得多，比常規的鋰離子電池。此外，水或含水電解質與Li金屬陽極和LiMn2O4正極兩者直接接觸，并且冷卻效果將是非常有效的。冷卻系統，這是通常所需的大容量電池模塊，無需為在電動汽車中的應用。當與傳統的鋰離子電池相比，大大提高安全性和可靠性。