最新一期《自然》（Nature）雜志子刊《科學(xué)報(bào)道》（Sci.Report）刊發(fā)了復(fù)旦大學(xué)吳宇平教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組關(guān)于水溶液鋰電池體系的最新研究成果。吳宇平課題組采用復(fù)合膜將金屬鋰進(jìn)行包覆，而后將其置于pH值呈中性的水溶液中，與鋰離子電池中傳統(tǒng)的正極材料如尖晶石錳酸鋰組裝，制成了平均充電電壓為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。

吳教授課題組發(fā)明的新型水溶液可充鋰電池（簡(jiǎn)稱為“水鋰電”）的能量密度（即同樣大小、質(zhì)量的情況下，每單位儲(chǔ)存電能的多少）比目前普遍采用的有機(jī)電解質(zhì)的動(dòng)力鋰離子電池要高出了80%。預(yù)計(jì)裝備這一新型水鋰電的電動(dòng)汽車的行駛距離有望達(dá)到400公里，而現(xiàn)在市面上售賣的電動(dòng)車出行距離為150-180公里（如榮威E50在60公里等速時(shí)續(xù)航里程為180公里）。

鋰電池已經(jīng)是司空見(jiàn)慣卻也必不可少的物品。從手機(jī)、電腦到大型機(jī)械設(shè)備、新能源汽車，可以說(shuō)現(xiàn)代社會(huì)生活的許許多多新奇“裝備”是由鋰電池驅(qū)動(dòng)的。對(duì)于普通老百姓的來(lái)說(shuō)，對(duì)于鋰電池的要求無(wú)非是更安全——電池在任何情況下都不要突然爆炸；更耐用——電池使用時(shí)能支撐的時(shí)間久一些、距離遠(yuǎn)一些，電池的壽命更長(zhǎng)一點(diǎn)，不用記掛著需要時(shí)常更換；更方便——在通過(guò)風(fēng)能、太陽(yáng)能、潮汐能發(fā)出來(lái)的電可以高效率的儲(chǔ)存起來(lái)，給天黑時(shí)、沒(méi)風(fēng)、沒(méi)電的時(shí)候用。這也是全世界電池研究者追尋的目標(biāo)。

水鋰電是當(dāng)今鋰電池研發(fā)的前沿和方向之一，它是用普通的水溶液來(lái)替換傳統(tǒng)鋰電池中的有機(jī)電解質(zhì)溶液。傳統(tǒng)的鋰離子電池盡管具有諸多優(yōu)點(diǎn)，并且在民眾生活中應(yīng)用廣泛，但是在大型的儲(chǔ)能系統(tǒng)中，用傳統(tǒng)方法制造的鋰電池成本高，對(duì)生產(chǎn)條件要求高，并且由于有機(jī)電解質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)，存在較大的安全隱患，我們迫切需要發(fā)展新型的低成本、易大規(guī)模生產(chǎn)、安全環(huán)保的蓄電池體系。由于水溶液的安全性能高，不會(huì)起火，離子導(dǎo)電率高，且成本也低，水鋰電已經(jīng)成為下一代大型儲(chǔ)能電池發(fā)展的優(yōu)選方向。

復(fù)旦大學(xué)研發(fā)出新型水鋰電池充電快電動(dòng)車能跑400公里

復(fù)旦大學(xué)自2005年起就一直在開(kāi)展水鋰電這一國(guó)際前沿領(lǐng)域的探索，相關(guān)研究成果曾發(fā)表在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》、《能源與環(huán)境科學(xué)》等國(guó)際權(quán)威的專業(yè)刊物上。在我國(guó)科技部重大基礎(chǔ)研究計(jì)劃和自然科學(xué)基金委的資助下，至2007年復(fù)旦大學(xué)在新型水鋰電方面的研發(fā)領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展，研究成果和科研水平開(kāi)始居于世界先進(jìn)地位。

在此次發(fā)表的最新成果中，復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系吳宇平教授所帶領(lǐng)的課題組成員研究設(shè)計(jì)了全新的思路，并首次提出了鋰離子在該復(fù)合膜發(fā)生“電位穿越”的理論。

鋰電池的主要工作原理，是依靠鋰離子在正負(fù)電極之間的遷移而產(chǎn)生電流的。這種遷移是在溶液中進(jìn)行的。但是由于低電位的鋰離子會(huì)和水溶液發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)（析出氫，生成氫氧化鋰），從而使電池自身發(fā)生損耗，不能發(fā)生可逆充電，因此水鋰電研究要解決的核心問(wèn)題就是如何防止鋰離子和水在低電位發(fā)生反應(yīng)。而采用原有的“極化”（即不斷嘗試使用新型的材料制作電極）解決方案，只能使水鋰電所產(chǎn)生的的電壓最多達(dá)到2.0V，而且充放電效率低。

吳宇平教授則換了另外一種思路，用高分子材料和無(wú)機(jī)材料制成復(fù)合膜，包裹在金屬鋰外。而這層復(fù)合膜成為了鋰離子的電位在正負(fù)極之間“時(shí)空穿越”的“隨意門”和“時(shí)光機(jī)”——在這個(gè)膜的作用下，質(zhì)子和水分子無(wú)法在低電位下得到電子，就不會(huì)在鋰離子遷移過(guò)程中發(fā)生析氫或者水的分解。吳宇平教授打趣地說(shuō)道：“你可以把他形象地想象成鋰離子的電位經(jīng)過(guò)膜，一下就到了負(fù)極，然后又直接從負(fù)極回到正極，就好像科幻片中，人跨過(guò)時(shí)光門可以直接在地球和外太空之間往返。”因此，吳教授也把這一新發(fā)現(xiàn)稱作“電位穿越”。

據(jù)介紹，復(fù)旦的包裹復(fù)合膜的新型水鋰電，可以大幅降低電池的成本，提高其能量密度，從而使電池充電時(shí)間更短，儲(chǔ)存電量更多，耐用時(shí)間更久。該體系計(jì)算的實(shí)際能量密度大于220Wh/Kg(瓦時(shí)/公斤)，能量效率高達(dá)95%，預(yù)計(jì)裝備這一新型水鋰電的電動(dòng)汽車的行駛距離有望達(dá)到400公里，而現(xiàn)在市面上售賣的電動(dòng)車出行距離為150-180公里（如榮威E50在60公里等速時(shí)續(xù)航里程為180公里）。

此外，相對(duì)于之前非水的有機(jī)溶劑與鋰鹽溶液——這些有機(jī)溶劑在過(guò)度充電、短路等不良使用情況下很容易導(dǎo)致鋰離子電池發(fā)生起火甚至爆炸——新型的水鋰電采用水溶液作為電解質(zhì)，阻燃性增強(qiáng)，使電池在使用過(guò)程中不容易發(fā)燙發(fā)熱，安全性能和成本較現(xiàn)有的鋰離子電池都具有明顯的優(yōu)勢(shì)。據(jù)介紹，時(shí)刻存在的安全隱患，無(wú)法給消費(fèi)者100%的信心，已經(jīng)成為現(xiàn)有電動(dòng)產(chǎn)品大規(guī)模推廣的主要阻礙之一。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)境污染的日益加劇，不可再生的能源資源不斷消耗，人類社會(huì)迫切需要提高能源的利用效率，開(kāi)拓新能源和可再生能源，保證人類的可持續(xù)發(fā)展，而這些均離不開(kāi)電化學(xué)儲(chǔ)能——新型電池。因此，像水鋰電這樣的電化學(xué)儲(chǔ)能有望為21世紀(jì)具有持續(xù)、爆炸式發(fā)展?jié)摿Φ男屡d產(chǎn)業(yè)。“新型水鋰電在生活中可具體應(yīng)用到各方各面”，吳宇平教授說(shuō)，“希望水鋰電的突破能夠最終使消費(fèi)者對(duì)安全放心、對(duì)成本接受，解決目前全球躊躇不前的電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的主要障礙，為新能源發(fā)展、為中國(guó)和人類社會(huì)的支柱產(chǎn)業(yè)注入新動(dòng)力。”

新聞背景：電池發(fā)展史簡(jiǎn)介

從1859年勒克郎謝發(fā)明鉛酸蓄電池，之后鎳-鎘電池、鈉硫電池、液流電池以及較新的鋰離子電池、水溶液可充鋰電池（簡(jiǎn)稱水鋰電）直到復(fù)合超級(jí)電容器，一百多年來(lái)這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展一直備受矚目。當(dāng)今鋰電池的研發(fā)和使用是主流，也是科學(xué)研究和社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)。

鋰電池（Lithiumbattery）是指電化學(xué)體系中含有鋰（包括金屬鋰、鋰合金和鋰離子、鋰聚合物）的電池，大致可分為兩類：鋰金屬電池和鋰離子電池。鋰離子電池不含有金屬態(tài)的鋰，并且是可以充電的。最早出現(xiàn)的鋰電池來(lái)自于偉大的發(fā)明家愛(ài)迪生，最早應(yīng)用于心臟起搏器中。其較以前的蓄電池體系而言，具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如放電電壓高、能量密度大、自放電低、無(wú)記憶效應(yīng)、環(huán)境友好、循環(huán)壽命長(zhǎng)。之后人們運(yùn)用各種材料開(kāi)發(fā)出性能各異效能更優(yōu)的鋰電池，并廣泛應(yīng)用于各類數(shù)碼產(chǎn)品、電動(dòng)工具，直至航天、特種等領(lǐng)域。但鋰離子電池在大型的儲(chǔ)能系統(tǒng)中，由于成本高，且對(duì)生產(chǎn)條件要求高，因此迫切需要發(fā)展新型的低成本、易大規(guī)模生產(chǎn)的蓄電池體系。由于水溶液的安全性能高，不會(huì)起火，離子導(dǎo)電率高，且成本也低，因此成為大型儲(chǔ)能的首選。