吉大团队提出水系电池界面保护层策略，有望用于大规模储能体系

  浩博电池网讯：在这项研究中，他们成功增强了电极–电解质界面稳定性，当电极在循环 100 万次后，容量保持率达到 91.6%。而全电池在 3000 次循环之后，容量保持率为 91.7%。

  对于研发开放体系的电池来说，本次成果能够提供一定的参考价值。水系电池对于误操作的耐受性较高，因此可以在开放环境下进行操作。

  当遇到运行问题时，也不用更换整个电池，只需更换出问题的那一部分即可，这对于降低电池成本、增加电池的可维护性将会大有裨益。

  举例来说，电池在运行过程中会面临停电、电解液耗尽等问题。

  而在本次成果的帮助之下，只需重新补充电解液，就能让电池容量得到明显恢复。并且，即便在停电之后重新启动电池，其容量也不会出现明显衰减。

319 天中的一百万次循环

  张伟表示，最开始做水系电池的初衷是希望解决安全问题。当使用水作为溶剂的时候，其具有高安全、不可燃、成本低、离子电导率高、误操作耐受性强等特点。

  由于水分解电压的限制，导致电化学的稳定窗口比较窄，因此在能量密度上无法和商用有机锂离子电池相提并论。

  但是，水系电池安全可靠的特性，在大规模储能体系中很有应用前景。

  既然无法在能量密度上比肩，那就提高循环寿命，增加它的稳定运行时间。

  提高电池的循环寿命对于电池的使用和性能至关重要，原因包括延长电池的使用时间、减少更换电池的频率、提高经济性和安全性等。

  事实上，为了提高电池正极/负极材料的循环寿命，已经有很多课题组探索了各种各样的先进机制。

  但是，该团队发现在实际操作中，很难在几个月乃至几年内维持电极材料的稳定运行。

  于是课题组开始设想：既然很难让电极材料始终保持在初始的稳定状态，那么能否让电极材料在运行过程中逐步自我完善？

  张伟教授和同课题组的郑伟涛教授，所希望实现的目标是希望实现电极/电解液界面的稳定构筑。

  水系电池中电解液的分解，不会像有机体系电池那样，产生固态电解质界面膜。

  而固态电解质界面膜允许离子实现快速传输，同时它又是一种电子绝缘体，不仅能够防止短路，还能降低电解液之间的电子交换可能性，可以有效保护电极材料。

  在水系电池之中，由于缺少固态电解质界面膜，因此电极材料会面临更加恶劣的环境，包括要面对腐蚀、析氢析氧、较大的体积膨胀、过渡族金属离子溶解等问题，从而严重降低电池的循环寿命。

  在电池的长期循环过程中，在时间的累计之下，每个因素的影响都是不可忽视的。

  并且，还要考虑各个因素之间的叠加。比如，对于电极材料和电极/电解液界面来说，只有当它们都达到稳定状态时，才能在长时间运行仍能保持稳定的输出。

  在本次研究之中，从 2022 年 7 月 8 日到 2023 年 5 月 23 日，电池完成一百万次循环的运行时间是 319 天。

  其中难免会遇到停电、电解液耗尽等特殊情况，中间也经历了重新启动、补液等操作，但 100 万次循环后仍然可以达到初始容量的 91.6%，实现了电池稳定的输出。

（来源：Angewandte Chemie International Edition）

希望“老大哥”为“弟弟妹妹们”作出表率

  张伟表示对于摇椅电池来说，工作离子的半径/水合离子半径，是影响其电化学性能的关键因素之一。

  之前，他们曾做过一些非金属离子二次电池的相关工作。

  对于氢离子和水合氢离子来说，它们具有相对最小的半径，这意味着当它们在电极材料中穿梭时，所造成的晶格体积变化也是最小的，因此对于材料的破坏也可能是最小的。

  另一个需要考虑的问题是：在一众水合氢离子电池之中，多数使用的是硫酸和磷酸等酸性电解液，会给电极材料带来严重的腐蚀。

  当电极和电解液的接触面积越小，即颗粒尺寸越大时，腐蚀也会越小。

  而这和大多数电池所追求的更大接触面积是相悖的。但是，只要能在有限范围之内保证储能位点，就能发挥相对最大的功能。

  尽管这不会给快速充放电带来较大优势，不过能够保障电池的长期稳定性。

  张伟表示：“说起颗粒增大，我们第一时间想到的就是奥斯特瓦尔德熟化现象。”

  该现象是材料制备中最为经典的现象之一，当发生这种现象的时候，就意味着可以生成尺寸较大、有序化程度较高的颗粒。有序化程度越高，就意味着离子穿梭更加容易。

  同时，奥斯特瓦尔德熟化也是材料制备的经典理论之一，当其和电化学储能系统结合到一起时，可以同步解决缺少固态电解质界面膜、电极材料不稳定两大难题，能够表现出超乎寻常的稳定循环寿命。

（来源：Angewandte Chemie International Edition）

  但是，该团队发现直接通过奥斯特瓦尔德熟化制备电极，即便经过繁琐的制备过程，所得到的电极材料尺寸、电化学性能仍和预期有着较大差距。

  不仅如此，这些电极材料即使不经过任何电化学反应，它们本身也会发生老化。

  假如再加上电化学过程，只会进一步地加速老化。更何况还会发生各种副反应，这时就很难保证材料的稳定如一。

  “于是我们转换思路，既然不能始终如一，那能否让材料在运行过程中逐渐自我完善？”张伟说。

  此前，他们曾把六氰基铁酸铜中溶解的铜离子和铁离子，通过优化电解液的方法，重新恢复成完整的电极材料。

  那么，在水合氢离子电池中，能否也用上溶解的过渡族金属离子？

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