中國水系電池取得重大突破？能量密度竟超鋰離子電池一倍，甚至超過一些固態電池？你知道這意味着什麼嗎？水系電池是一種本質上安全不燃爆的電池，如果能量密度再超過鋰離子電池，這意味着電池領域將可能出現一條新的賽道，怪不得外媒評論說，這項突破有可能會給電動汽車行業帶來革命性的轉變。

這項研究來自中科院大連化學物理研究所李先鋒、傅強教授領導的團隊，他們開發出一種基於鹵素多電子轉移的高能水系電池，能量密度竟高達1200Wh/L，是目前能量密度最高的水系電池，而且是數量級的提升，而目前商用鋰離子電池大多在400-700Wh/L。

比如臺灣輝能已經量產的固態電池，體積能量密度是1025Wh/L，質量能量密度是383Wh/kg，而前段時間宣稱裝車的智己汽車半固態電池是368Wh/kg，蔚來的是360Wh/kg。水系電池竟一下子超過了這些大熱門，可以說完全出乎人們的意料之外，你知道我爲什麼要這樣說嗎？

水系電池兩大缺點

因爲水系電池最爲人詬病的，就是它的能量密度很低，可以說遠低於鋰離子電池，而且是本質上的低，骨子裏的低，這是什麼原因呢？水系電池中離子是通過電解質溶液的形式傳導，但水作爲溶劑它的溶解能力很有限，離子濃度很難提高，這意味着能夠參與電池反應的活性離子數量有限，從而限制了電池中的有效電荷轉移，降低了能量密度。比如傳統的水系電池，像是全釩液流電池和鋅溴液流電池，其能量密度只有約30Wh/L和60Wh/L，只適合用作大規模的固定儲能。

水系電池另一個爲人詬病的，就是它的電壓比較低。這是因爲它受制於水分解電壓，通常只有1.23V左右。超過這個值，水就會電解成氫氣和氧氣，導致電池無法正常工作，水系電池因而能提供的總能量有限，不適合作爲電動汽車的動力電池。

一舉解決兩大問題

而大連團隊的這項研究，利用碘、溴離子混合的鹵素溶液作爲電解質，通過充放電過程中形成的溴化物中間態優化反應路徑，就像架起了一座座寬闊的橋樑，成功地實現了多電子轉移反應，大幅提高了電化學反應的活性和可逆性。

實驗結果顯示，在一定濃度的碘離子電解質中，水系電池可以實現超過30摩爾的電子轉移，讓電池正極側的比容量超過了840Ah/L。當把這種正極與金屬鎘負極組成全電池時，能量密度竟超過1200Wh/L，已經可以用於動力電池了。

通過原位光學顯微鏡、拉曼光譜等手段，研究團隊還發現，溴離子可在電池充電過程中生成極性的溴化碘，有利於和水反應形成碘酸根，從而提高了反應速率並降低了充電電壓。

而在放電過程中，碘酸根通過與溴離子反應生成溴並參與電化學反應，實現了碘酸根的可逆、快速放電，這不僅提高了電池的放電電壓，還同時提高了碘酸根的還原速率。這意味着水系電池的電壓問題也有望得到解決，從而有應用於動力電池領域的可能。

但電池領域那麼多研究，各種突破層出不窮，就跟過家家似的，爲什麼說這項研究可能具有重大突破意義呢？

重大意義

電池實際可分爲三類，物理電池、生物電池和化學電池。光伏、熱電、壓電屬於物理電池，微生物燃料電池、酶燃料電池屬於生物電池。

我們平常所說的電池通常是指化學電池，可分爲一次電池和二次電池，即不可充電的和可充電的，可充電的一般又分爲三種，水系電池、有機離子電池和燃料電池，有機離子電池包括目前的鋰離子和鈉離子電池，燃料電池則有氫燃料電池、甲醇燃料電池等。

所謂水系電池，是指以水爲電解液溶劑的電池，如鎳氫電池，以前也曾輝煌過一時；鉛酸電池，汽車上廣泛使用，但可能即將輝煌不再；還有鋅基電池，包括鋅-鎳和鋅-空氣電池等。

鎳氫電池和鉛酸電池是最典型的水系電池，曾經也是輝煌無比。但隨着電動汽車的興起，鋰離子電池憑藉能量密度高一躍而成爲電池領域的超級巨星，光芒萬丈，而鎳氫電池和鉛酸電池的電壓最高也只有2V，一下子就黯然失色，不得不敗下陣來，可能都要面臨生存危機了。

然而鋰離子電池春風得意馬蹄爽，卻也暴露了兩大致命性的問題，成本高、易燃爆，昂貴又暴躁，讓見異思遷的人們又開始懷念成本低、不可燃、無毒性、本質上安全的水系電池了。年齡大一點的人，可能都用過鋅碳電池，也就是乾電池，小時經常砸開，取出裏面的碳棒用來塗鴉，你聽過說它燃爆嗎？只是水系電池一直不爭氣，電壓和能量密度難以提高，才讓鋰離子電池益發囂張，肆無忌憚地燃爆，奪走了一條又一條生命。

大連團隊的這項研究，在能量密度和電壓上都取得了突破，是不是可以讓水系電池揚眉吐氣，收復舊山河，趕走脾氣火爆的鋰離子電池，重新奪回被搶佔的失地呢？

雖然曙光乍現，充滿希望，但水系電池的前路，可能仍然道阻且長，宛在水中央。目前取得最高能量密度的鎘負極，雖然循環壽命超過了300次，能效達78%，但比起鋰離子電池來仍有不足，並且鎘更稀有還有毒，所以還需要尋找其他負極材料。而使用釩負極，雖然循環壽命超過了1000次，和鋰離子電池差不多，但能量密度可能還不盡如人意。

最關鍵的是，雖然這種水系電池電壓有所提高，但只達到了約2V，而鋰離子電池通常可以達到3.0至4.2V。並且所有這些成果，目前都還只是實驗室的初步數據，所以水系電池要想取代鋰離子電池，可能還有很長的路要走。

當然，你也不要完全悲觀，因爲此前已有研究，通過調整電解質的組成或添加劑，使水系電池的電化學窗口擴展到了3.23V，這是中科院物理所/北京凝聚態物理國家研究中心懷柔研究部HE-E01組在2022年取得的進展。

大連團隊在論文中認爲，這項研究有開發出安全且高能量密度水系電池的可能，爲電網規模的能源存儲甚至電動汽車提供了新的開發選擇。

這項研究發表在4月23日《自然-能源》雜誌上。

參考：Reversible multielectron transfer I−/IO3− cathode enabled by a hetero-halogen electrolyte for high-energy-density aqueous batteries