中国在水系电池方面取得重大突破？能量密度是锂离子电池的两倍，甚至超过部分固态电池？你知道这意味着什么吗？水系电池本质上是安全的，不会爆炸。如果能量密度超过锂离子电池，意味着电池领域或将出现一条新赛道。难怪有外媒评论称，这一突破或将给电动汽车行业带来革命性变化。
这项研究来自中科院大连化学物理研究所李先锋、付强教授团队，他们研发出基于卤素多电子转移的高能水系电池，能量密度高达100Wh/L，是目前能量密度最高的水系电池，而且是数量级的提升，而目前大部分商用锂离子电池的能量密度都在400-700Wh/L这个范围内。
比如台湾辉能已经量产的固态电池，体积能量密度为125Wh/L，质量能量密度为383Wh/kg。前段时间智己汽车宣布搭载的半固态电池能量密度为368Wh/kg，蔚来则是360Wh/kg。水系电池一下子超越这些热门产品，完全出乎人们的意料。知道我为什么这么说吗？
水系电池的两大缺点
因为水系电池最为人诟病的就是其能量密度非常低，可以说远远低于锂离子电池，而且是天生低，低到骨子里。这到底是什么原因呢？在水系电池中，离子是以电解质溶液的形式传导的，但是水作为溶剂的溶解度非常有限，很难提高离子浓度，这就意味着能够参与电池反应的活性离子数量有限，从而限制了电池内的有效电荷转移，降低了能量密度。比如传统的水系电池，如全钒液流电池、锌溴液流电池，能量密度只有30Wh/L、60Wh/L左右，只适合用于大规模固定式储能。
水系电池的另一个诟病是电压相对较低，这是因为受限于水的分解电压，通常只有 1.23V 左右，如果超过这个值，水就会电解成氢气和氧气，导致电池无法正常工作，因此水系电池能提供的总能量有限，不适合作为电动汽车的动力电池。
一次解决两个主要问题
大连团队的研究采用碘和溴离子的混合卤素溶液作为电解液，通过充放电过程中形成的溴化物中间态，优化反应路径，犹如搭建了一系列宽阔的桥梁，成功实现了多电子转移反应，大大提高了电化学反应的活性和可逆性。
实验结果表明，在一定浓度的碘离子电解液中，水系电池可以实现30摩尔以上的电子转移，使电池正极的比容量超过840Ah/L，此正极与金属镉负极组合成全电池时，能量密度超过100Ah/L，可用于动力电池。
通过原位光学显微镜、拉曼光谱等手段，研究团队还发现，溴离子在电池充电过程中能够生成极性的碘溴化物，有利于与水反应生成碘酸根离子，从而提高反应速率，降低充电电压。
在放电过程中，碘酸盐与溴离子发生反应生成溴并参与电化学反应，实现碘酸盐的可逆快速放电，不仅提高了电池的放电电压，还提高了碘酸盐的还原速度。这意味着水系电池的电压问题也有望得到解决，并有可能在动力电池领域得到应用。
但电池领域的研究如此之多，各种突破层出不穷，就像过家家一样，为什么说这项研究可能具有重大突破意义呢？
意义
电池其实可以分为物理电池、生物电池和化学电池三类，光伏电池、热电电池、压电电池属于物理电池，微生物燃料电池、酶燃料电池属于生物电池。
我们平常说的电池一般都是化学电池，又可以分为一次电池和二次电池，也就是不可充电和可充电。可充电电池一般又分为水系电池、有机离子电池和燃料电池三种，有机离子电池包括现在的锂离子和钠离子电池，燃料电池包括氢燃料电池、甲醇燃料电池等。
所谓水系电池，是指以水作为电解质溶剂的电池，比如曾经红极一时的镍氢电池，在汽车上广泛使用但可能很快不再红极一时的铅酸电池，以及包括锌镍电池、锌空气电池等锌基电池。
镍氢电池和铅酸电池是最典型的水系电池，曾经无比辉煌。但随着电动汽车的兴起，锂离子电池凭借高能量密度成为电池领域的巨星，而最高电压仅为2V的镍氢电池和铅酸电池则黯然失色，不得不落败，或将面临生存危机。
然而，锂离子电池在大获成功的同时，也暴露出两个致命问题：成本高、易燃、易爆。浮躁的人们开始怀念成本低、不易燃、无毒、本质安全的水电池。老一辈的人可能都用过锌碳电池，也就是干电池，小时候经常拆开，拿出里面的碳棒用来涂鸦，你听说过爆炸吗？只是水电池一直不尽人意，电压和能量密度难以提升，才让锂离子电池更加嚣张，肆无忌惮地爆炸，夺走一个又一个生命。
大连团队的研究在能量密度和电压上都取得了突破，能否让水系电池重现昔日的辉煌，赶走脾气暴躁的锂离子电池，收复失地？
虽然曙光微弱、充满希望，但水系电池未来的路可能依然漫长而艰辛，犹如在水中摸索。目前能量密度最高的镉阳极，循环寿命超过 300 次，能量效率达到 78%，但与锂离子电池相比仍逊色不少，而且镉较为稀有且有毒，因此还需要寻找其他阳极材料。采用钒阳极，虽然循环寿命超过 1000 次，与锂离子电池差不多，但能量密度可能仍不尽人意。
最重要的是，这款水系电池的电压虽然有所提升，但也只达到了 2V 左右，而锂离子电池通常可以达到 3.0 到 4.2V。而且所有这些结果都还只是实验室中的初步数据，因此水系电池要取代锂离子电池可能还有很长的路要走。
当然，大家也不应完全悲观，因为此前的研究表明，通过调整电解液的成分或添加剂，水系电池的电化学窗口可以拓展到3.23V。这是中国科学院物理研究所怀柔研究部/北京凝聚态物理国家研究中心HE-E01课题组在2022年取得的进展。
大连团队在论文中认为，此项研究有潜力开发出安全、高能量密度的水系电池，为电网规模储能乃至电动汽车提供新的发展选择。
该研究于4月23日发表在《自然能源》杂志上。
参考：I−/IO3− 由 - 表示高--