复旦大学开发出高性能水锂电池.docx

复旦大学吴宇平开发出“水锂电”，能量密度可达220300Wh/kg2013/04/23 00:01 【日经BP社报道】2013年3月中旬，有媒体报道了复旦大学化学系吴宇平教授领导的研究团队开发出水溶液可充锂电池(简称“水锂电”)的实验成果。笔者利用去上海出差之机，亲自到复旦吴教授的实验室采访了他。 吴宇平表示，他领导的团队从2005年开始，一直在进行水锂电的探索性研究，前期结果曾发表在德国应用化学、能源与环境科学等刊物上。后来，该项目受到中国科技部的重视，并因此获得了科技部重大基础研究计划和自然科学基金委的资助，解决了研究经费窘迫的问题。 最近，吴宇平的研究团队发现，采用一种特殊的复合膜将金属锂进行包覆，置于中性水溶液里，与锂离子电池中传统的正极材料，如尖晶石锰酸锂，组成了平均充、放电电压分别为4.2V和4.0V的新型水锂电体系（见图a和图b）。突破了水的理论分解电压1.23V，220300Wh/kg的能量密度比目前采用有机电解质的动力锂离子电池高80%。该成果发表在2013年3月7日的自然子刊科学报道上。 图a 复旦大学化学系吴宇平研究团队开发出的水溶液可充锂电池(简称“水锂电”)结构示意图图b 该水锂电的首次充放电曲线图c该水锂电除首次循环外，充放电过程的库伦效率基本接近100%图d 孔状锰酸锂在水溶液中的循环性能对于水溶液体系而言，由于水或质子容易得到电子，即使利用铅等具有强极化的材料，水溶液体系的工作电压最多只能到2.2V（铅酸电池），而且在该条件下，充放电效率较低。 因此，吴宇平研究团队设计了上述全新思路，并首次提出了锂离子在该复合膜发生“电位穿越”的理论。 在该水锂电体系中，质子和水分子无法得到电子，不会发生析氢或水的分解。除首次循环外，充放电过程的库伦效率基本接近100%（见图c）。利用该体系计算的实际能量密度在220300Wh/kg，如今后应用在电动汽车上，有望使续航里程达到200400公里，能量效率在95%以上。 吴宇平特别强调：“很多媒体近期的报道说这种电池充一分钟电可跑400公里，完全是断章取义，不负责任的。”在整个采访期间，吴宇平与笔者的交谈多次被其熟识的业内人士的来电打断，基本都是询问“充一分钟电可跑400公里”的事。 由于采用与负极紧密接触的冷却系统(水溶液)作为电解质，安全性高于现有的锂离子电池，且成本很低。不含LiPF、酸和碱，具有绿色环保特性，且没有记忆效应。 吴还称，锰酸锂等材料在水溶液中氧化还原的动力学较快，10000次100%DOD充放电循环后（见图d），可以保持93%的容量，并且具有快充快放功能，6秒钟可以达到54%。但这并不能推断作为动力电池在1分钟内就可充满电，并使续航里程达到400公里。 吴宇平透露，该研究成果已引起了海内外厂商的关注。但他希望能与国内厂商合作，目前正与北京一家厂商恰谈相关事宜，由对方在几年内投入一定资金，以尽快实现商业化。 当笔者问及水锂电何时能走出实验室应用在电动汽车时，他表示，如果研究项目各项工作一切顺利，3年后可能会出可装在整车上的电池样品。由于整车对部件质量的要求极为严苛，所以还需约2年的路试。也就是说，最快5年后才有可能成为商品化的动力电池。 不过即便如此，如能实现上述性能，对中国新能源汽车的推广普及实在是一个重大推动。 对于吴宇平团队的该项水锂电实验成果，一位国内电池专家表示，从平均充电电压为4.2V来看，基本上正极利用了锰酸锂的电压，负极为锂片的电压，整体电池反应可能类似以锂片作为负极的锰酸锂电池。 该专家认为，如果要进行充电，显然不能从水溶液里析出金属锂。因此，其负极不能直接浸在水电解液中。有两种可能：选择安置在选择性通过锂离子的固体或半固体的保护膜层中；在非水溶液中。 如果是，要实现充电比较困难。锂离子可以进入，但水分子不能，因此该选择比较难于实现。即使能够实现，充电时，析出的锂也必须同样平稳析出于包覆层内。长期工作很困难。 如果是，锂片处在非水溶液中，则非水溶剂与水溶液连接的地方就存在互相扩散的问题，同样会导致循环寿命的问题。 复合膜包覆下的锂片，外层是相对固定的外壳层，随着充放电锂离子迁出或氧化，体积必然发生变化，