復旦找到水系鋰離子電池循環差的核心問題
2010年08月23日 9:47 6083次瀏覽 來源： 科學時報 分類： 新技術 作者： 黃辛
復旦大學新能源研究所教授夏永姚課題組經過艱苦努力，終于在有關水系鋰離子電池的研究領域取得突破性進展，找到了導致水系鋰離子電池循環性差的核心問題。這一研究成果發表在最新一期Nature Chemistry上。
水系鋰離子電池具有價格低廉，無環境污染，安全性能高，高功率等優點，這種電池將來可望用于風力、太陽能發電等能量儲存、智能電網峰谷調荷和短距離電動公交車等。但受其循環性差的影響，目前還無法投入實際應用。
1994年，Dahn研究組在美國Science雜志首次報道了一種用水溶液電解質的鋰離子電池，負極采用VO2，正極采用 LiMn2O4，電解質溶液為微堿性的Li2SO4溶液，其平均工作電壓1.5V，實際應用中這種電池的能量密度接近40Wh/kg，大于鉛酸電池（30Wh/kg），與Ni-Cd電池相當，但循環性能很差，使該種電池壽命較短。
為了提高循環性能，提高電池充電次數，過去的許多研究集中在研究合適的電極材料上，以提高循環性能。但這些嘗試無法有效解決關鍵問題，一般100次循環后（也就是充電100次后），容量維持率就會低于50%。
夏永姚課題組自2004年一直從事鋰離子嵌入化合物在水溶液電解質中的研究，他發現鋰離子嵌入化合物在水溶液電解質中的電極反應，遠比在有機電解液中復雜。除了考慮電極材料本身在鋰離子嵌入過程中的穩定性外，必須考慮水分解析氫、析氧的反應，水溶液中質子的競爭嵌入，電極材料在水溶液中的溶解問題等。
經過一系列的實驗和分析，他們從理論和實驗上證實，在水和氧氣存在下，作為電池負極的電極材料會被氧氣氧化是造成水系鋰離子電池容量衰減的主要原因，進而通過消除氧（電池密封）和選擇合適的電極材料〔NISCON-type LiTi2（PO4）3負極和碳包覆Olive-type LiFePO4正極〕，就能大大提高電池的循環性能，將電池10分鐘倍率從充放電100次容積維持率低于50%提高到了可充放電1000次循環，容量維持率在90%以上。
有關專家認為，該研究解決了此種無污染電池的核心問題，對如何提高水溶液鋰離子電池的循環性能提供重要的理論指導。雖然這種電池離真正實際應用還有距離，但這項新成果為此種電池的實際應用提供了明朗的研究方向。
責任編輯：hq
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