中国科学家找到了一种提高电池效率的方法——用水

中国研究人员找到了一种通过在电解质溶液中添加溴化物来提高水系电池能量密度的方法

中国研究人员声称，一种新的水基电池设计比传统的锂离子电池更安全、更节能。 

该团队于 4 月 23 日在Nature Energy杂志上报道称，该水电池的寿命可超过 1,000 次充放电循环。

任何电池最重要的特性之一是能量密度——相对于其尺寸或重量，电池包含多少能量。锂离子电池具有特别高的能量密度，广泛应用于电动汽车和便携式设备。然而，液体成分（称为电解质）通常含有有机化学物质，如果系统过热，这些有机化学物质可能会着火或爆炸。 

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相比之下，水基电池更安全，但由于其工作电压窗口较窄，能量密度通常较低。然而，通过破坏水电解质内部发生的化学反应，李的团队极大地提高了水电池的能量密度和整体性能。

电解质溶液实际上是许多不同化学物质的混合物，每种化学物质控制着电池性能的不同方面。称为介体的添加剂通过经历一系列支持氧化和还原（氧化还原）反应来帮助电子穿过溶液。

对于水性电池，最常见的介体是碘：通过一系列单独的氧化还原反应，这种卤素元素每个循环可以转移多达 6 个电子，将碘化物 (I–) 转化为碘酸盐 (IO3–)。然而，缓慢的反应速率和不需要的副产物意味着这种添加剂通常会导致电池能量密度低。

为了提高这种介导氧化还原序列的效率（从而提高整体能量密度），中国科学院的Xianfeng Li及其同事开发了一种混合卤素电解质，其中含有 I- 和溴化物 (Br –) 酸性溶液中的离子。溴（另一种能够转移电子的卤素元素）的引入，为这种困难的化学反应提供了垫脚石，提高了反应速率并抑制了有害副产物的形成。 

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通过详细的电化学和光谱分析，研究小组证明溴离子与碘离子一起参与氧化还原反应，形成重要的中间体并提高电子转移序列的速度和效率。

研究人员随后开始了一系列实验，以评估这种“异卤素”电解质对使用不同材料作为负极端子（阳极）的几种常见电池类型的整体性能的影响。

当与镉阳极一起使用时，新电解质的能量密度几乎是标准锂离子电池的两倍，镉阳极通常用于高能量便携式设备，如电动工具。 。与此同时，钒系统通常连接到发电厂和可再生能源发电机用于电网储能，其使用寿命特别长，可在超过 1,000 次充放电循环后保持峰值性能。

在这两种情况下，该团队都报告了能源效率的提高，并计算出水性异质卤素系统与当前的锂离子技术相比将具有成本竞争力。

该团队希望，这种性能的大幅提升将导致水基电池的更广泛使用，作为现有系统的更安全、高能量密度的替代品。