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标题: 2021年第1期EER封面故事 | 南京工业大学吴宇平教授课题组关于高压高能量密度水溶液可充电电池的最新进展 [打印本页]

作者: po4tgnzl 时间: 2021-3-30 17:02
标题: 2021年第1期EER封面故事 | 南京工业大学吴宇平教授课题组关于高压高能量密度水溶液可充电电池的最新进展
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Electrochemical Energy Reviews (《电化学能源评论》，简称EER)，该期刊旨在及时反映国际电化学能源转换与存储领域最新进展。EER是全球首本专注电化学能源的英文综述性期刊。EER覆盖化学能源转换与存储所有学科，包括燃料电池、锂电池、金属离子电池、金属-空气电池、超级电容器、制氢-储氢、CO2转换等。EER为季刊，每年3月、6月、9月以及12月出版。创刊号在2018年3月正式出版。
2018年6月，经过激烈角逐（87选20），EER成功入选由中国科协、财政部、教育部、国家新闻出版署、中国科学院、中国工程院等六部门联合实施的中国科技期刊国际影响力提升计划D类项目，进入新刊国家队阵列。
EER创刊2年半后成功被SCIE数据库收录，将于2021年获得第一个影响因子(EER即时影响因子超过25)。目前下载量超过27万人次。

01
文章题目
Latest Advances in High-Voltage and High-Energy-Density Aqueous Rechargeable Batteries
02
作者
Xinhai Yuan, Fuxiang Ma, Linqing Zuo, Jing Wang, Nengfei Yu, Yuhui Chen, Yusong Zhu, Qinghong Huang*, Rudolf Holze, Yuping Wu*, Teunis van Ree
03
关键词
Aqueous rechargeable batteries; Aqueous electrolyte; High voltage; High energy density
03
引用信息
Yuan, X., Ma, F., Zuo, L. et al. Latest Advances in High-Voltage and High-Energy-Density Aqueous Rechargeable Batteries. Electrochem. Energ. Rev. 4, 1–34 (2021). https://doi.org/10.1007/s41918-020-00075-2
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一、本文亮点

1. 综述了构建高压高能量密度水溶液可充电池的主要策略及研究进展；2. 提出了水溶液可充电池目前所面临的挑战，为其实用化指明了方向。

二、前言

水溶液可充电电池（ARBs）具有安全、环保和低成本等优点，很有希望用于大规模储能系统，自2007年吴宇平教授在《德国应用化学》发表工作以来，已成为研究的热点，在如何改善电极的循环性能、提高电极的倍率性能和体系的能量密度方面取得了一系列的突破，本文在此进行比较全面的阐述。

三、内容简介

本文首先总结了构建高压高能量密度水溶液可充电池的主要策略，然后结合这些策略分别介绍了高压高能量密度水溶液可充锂电池（ARLBs，简称水锂电）、水溶液钠离子电池（ASIBs）、水溶液钾离子电池(AKIBs)、水溶液铵离子电池(ANIBs)、水溶液锌离子电池(AZIBs)、水溶液镁离子电池(AMIBs)、水溶液钙离子电池(ACIBs)和水溶液铝离子电池(AAIBs)的最新研究进展。1. 提高水性可充电电池能量密度的策略主要有两种方式：（1）提高电池的平均输出电压；（2）提高电极材料的比容量。要提高电池的电压，首先要拓宽水电解质的电压稳定窗口：（a）调节电解液的pH值；（b）构建人工界面层；（c）使用超浓水电解质；（d）引入具有界面形成能力的电解质添加剂。与此同时，还要选择合适的且具有较大电位差的正负极材料。
图1. 提高水溶液可充电电池电化学性能的策略示意图

2. 高压高能量密度水锂电
图2.各种ARLBs的能量密度-平均放电电压-放电比容量图

构建高压高能量密度水锂电池的主要策略有：
（1）通过在负极表面形成稳定SEI膜可以实现直接使用锂金属作为水锂电池的负极。主要有两种方法：使用Li+导体LISCON、LATP等构建人工SEI膜；在电解液中加入可电化学分解的添加剂；
（2）使用超浓盐水溶液拓宽电压窗口；
（3）使用锌金属作为负极，构建水溶液锌-锂混合电池。
3. 水溶液钠离子电池
构建高压高能量密度水锂电池的主要策略有：
（1）使用锌金属作为负极构建水溶液锌-钠混合电池；（2）使用超浓盐水溶液拓宽电压窗口。4. 水溶液钾离子电池其研究工作相对较少，最近中科院物理所的胡勇胜团队使用超浓盐电解质首次构建了一种可行的高压水溶液钾离子电池。5. 水溶液铵离子电池该方面的研究目前处于起步阶段，大部分水溶液铵离子电池的电压和能量密度都较低。最近，我们课题组使用锌金属作为负极，使用普鲁士蓝类似物（Na-FeHCF和CuHCF）作为正极，构建了水溶液锌-铵离子混合电池，大大的提高了其电压和能量密度。
图3. 各种ASIBs、AKIBs、ANIBs的能量密度-平均放电电压-放电比容量图

6. 水溶液锌离子电池
提高其电压和能量密度的策略主要有：（1）使用具有高氧化还原电位和高比容量的正极材料，如Mn2+/MnO2、CoFe(CN)6、Co0.247V2O5.0.944H2O、Na3V2(PO4)2F3等；（2）使用碱性-中性混合电解质或者碱性酸性混合电解质，拓宽体系的电压稳定窗口，显著提高其工作电压。7. 水溶液镁离子电池通过构建人工SEI膜可以实现镁金属在水溶液中直接作为负极，从而构建基于镁金属负极的高压高能量密度水溶液镁离子电池，这方面的研究处于起步阶段，有望取得大的突破。8. 水溶液钙离子电池该方面的研究相对较少，目前所报道的水溶液钙离子电池电压和能量密度普遍偏低，有待于深入的研究。9. 水溶液铝离子电池研究表明可以使用铝金属在水电解液中作为负极材料，可以通过以下两种途径实现：（1）使用离子液体对铝金属进行处理，在其表面构建一层稳定的人工SEI膜；（2）使用超浓盐电解质（如AlCl3和Al(OTf)3的超浓盐水溶液）。
图4. 各种AZIBs、ACIBs、AMIBs、AAIBs的能量密度-平均放电电压-放电比容量图

四、总结与展望

为了进一步发展高能量密度水溶液电池，并实现产业化生产，需要解决一些挑战：加深对储能机理的进一步认识；探索新的电极材料；电解液添加剂的选择与研究；优化电池化学体系；开展示范工程的实施。总体而言，水溶液可充电池在目前的大规模储能方面具有很大的竞争力，有望在不久的将来实现规模化应用。

五、通讯和第一作者简介

吴宇平博士
南京工业大学教授
现任南京工业大学能源科学与工程学院院长
2004年、2007年获上海市科委“科技启明星”，2014年获国家杰出青年基金，2015被汤森路透评为“全球最具影响力的科研菁英”，多次入选全球高被引学者名单，2019年获得艾伯特·纳尔逊·马奎斯终身成就奖。主要从事新型储能体系与器件、太阳能制氢等方面的研究，发明了第2代、第3代水锂电、第4代不透气隔膜。自1994年以来，在Angew. Chem. Int. Edi.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Nano Lett.、Prog. Mater. Sci.、Nano Energy、Chem. Mater.、Chem. Commun.、J Mater. Chem. (A)等国际知名杂志发表论文340余篇，H指数>76。

袁新海
现为南京工业大学先进材料研究院在读博士研究生
研究主要集中在高能量密度水溶液电池的材料和系统的研发，在Adv. Energy Mater.等期刊上发表了多篇文章。

2021年第1期其他文章
2. Multi-electron Reaction Materials for High-Energy-Density Secondary Batteries: Current Status and Prospective
Xinran Wang, Guoqiang Tan, Ying Bai, Feng Wu, Chuan Wu
Cite as: Wang, X., Tan, G., Bai, Y. et al. Multi-electron Reaction Materials for High-Energy-Density Secondary Batteries: Current Status and Prospective. Electrochem. Energ. Rev. 4, 35–66 (2021). https://doi.org/10.1007/s41918-020-00073-4
Full-text: https://link.springer.com/article/10.1007/s41918-020-00073-4
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3. The Controllable Design of Catalyst Inks to Enhance PEMFC Performance: A Review
Yuqing Guo, Fengwen Pan, Wenmiao Chen, Zhiqiang Ding, Daijun Yang, Bing Li, Pingwen Ming, Cunman Zhang
Cite as: Guo, Y., Pan, F., Chen, W. et al. The Controllable Design of Catalyst Inks to Enhance PEMFC Performance: A Review. Electrochem. Energ. Rev. 4, 67–100 (2021). https://doi.org/10.1007/s41918-020-00083-2
Full-text: https://link.springer.com/article/10.1007/s41918-020-00083-2
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4. All-Solid-State Lithium Batteries with Sulfide Electrolytes and Oxide Cathodes
Jinghua Wu, Lin Shen, Zhihua Zhang, Gaozhan Liu, Zhiyan Wang, Dong Zhou, Hongli Wan, Xiaoxiong Xu, Xiayin Yao
Cite as: Wu, J., Shen, L., Zhang, Z. et al. All-Solid-State Lithium Batteries with Sulfide Electrolytes and Oxide Cathodes. Electrochem. Energ. Rev. 4, 101–135 (2021). https://doi.org/10.1007/s41918-020-00081-4
Full-text: https://link.springer.com/article/10.1007/s41918-020-00081-4
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5. Understanding the Mechanism of the Oxygen Evolution Reaction with Consideration of Spin
Xiaoning Li, Zhenxiang Cheng, Xiaolin Wang
Cite as: Li, X., Cheng, Z. & Wang, X. Understanding the Mechanism of the Oxygen Evolution Reaction with Consideration of Spin. Electrochem. Energ. Rev. 4, 136–145 (2021). https://doi.org/10.1007/s41918-020-00084-1
Full-text: https://link.springer.com/article/10.1007/s41918-020-00084-1
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6. The Electrochemical Tuning of Transition Metal-Based Materials for Electrocatalysis
Fangming Liu, Le Zhang, Lei Wang, Fangyi Cheng
Cite as: Liu, F., Zhang, L., Wang, L. et al. The Electrochemical Tuning of Transition Metal-Based Materials for Electrocatalysis. Electrochem. Energ. Rev. 4, 146–168 (2021). https://doi.org/10.1007/s41918-020-00089-w
Full-text: https://link.springer.com/article/10.1007/s41918-020-00089-w
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