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水溶液可充锂电池

供稿人:杨莺歌  供稿时间:2013-3-29   关键字:水溶液  锂电池  
从新能源汽车、手机、电脑到大型机械设备,现代社会生活的许许多多新奇装备是由锂电池驱动的。但是,传统方法制造的锂电池成本高,对生产条件要求高,并且存在较大的安全隐患,已成为现有电动产品无法大规模推广的主要阻碍。
 
水溶液可充锂电池定义
水溶液可充锂电池定义为:采用水溶液作为电解质,电极材料中至少有一种是含锂的嵌入化合物,且两极均是以法拉第方式进行电化学反应的二次电池体系。
 
水溶液可充锂电池性能特点
将已有的正负极材料在锂盐的水溶液中进行组合就构成水锂电器件,因其采用水溶液作为电解液,所以具有很多独特的性能,具体表现在如下几个方面:
①安全性高:传统有机电解液电池如果使用不当会冒烟甚至起火,存在严重的安全问题,限制了其大规模大尺度的应用,如果采用水锂电系统将极大地改善其安全性,为未来大型储能提供更多的保障;
②水锂电具有良好的环境友好性:因为体系中可以完全不使用有毒的材料,减少了电池的二次污染;
③成本低:相对于锂离子电池中使用成本高的有机电解液和隔膜,水锂电的成本很低,水锂电在生产过程中,对于外界空气和水分的要求不严格,也容易实现大规模生产;
④能量密度适中:能量密度高于传统水系电容器以及铅酸电池;
⑤能够大电流充放电:由于水的介电常数大、粘度小,不仅溶解或离解电解质的能力强,而且对于离子(水合离子)的移动阻力小,可以配成高电导率的电解质溶液(1~10s / cm ),能够大倍率地进行快速充放电;
⑥功率密度高:在3000W / kg条件下时还具有30Wh / kg以上的功率密度;
⑦循环性能已经取得很大的进步:水锂电在发展之初之所以没有能够得到足够的重视,主要局限于其较差的循环性能,随着水锂电的快速发展,目前水锂电器件的循环性已经取得长足的进步。
 
水溶液可充电锂电池与非水电解质锂离子电池的比较
 
用水溶液作为锂离子电池的电解质的概念是1994年被首次提出来的,是建立在水溶液电解质优于传统的有机系电解液的基础之上的。
 
性能参数
水溶液电解质电池
非水电解质电池
嵌锂能力
能够嵌锂
能够嵌锂
离子传导性
较前者低2个数量级
安全性
安全
不安全
可加工性电极
需厚电极,易加工
需薄电极,难加工
成本
不昂贵
昂贵
电池效率
高功效
低功效
环境污染
电解质可得性
易得
难得
现状
循环寿命低
循环寿命高
 
 
水溶液可充锂电池的研究进展
 
上世纪90年代中期,加拿大西蒙弗雷泽大学(Simon Fraser University)首次报道了一种用水溶液电解质的锂离子电池LiMn2O4/Li2SO4/VO2
2000年,德国Degussa Metals Catalysts Cerdec 公司和日本关西研究所报道了一种水溶液可充电锂电池LiNi0.81Co0.19O2/Li2SO4/LiV3O8
2007年,复旦大学吴宇平教授小组在国内率先报道负极采用LiV3O8、正极采用LiCoO2、电解质溶液为LiN03溶液的水溶液可充电锂电池。
 
近日,复旦大学在《自然》杂志子刊《科学报告》(Scientific Reports)刊发最新科研成果,他们研发的一种新型水锂电池,只要花10秒钟充60度电,就可以让新能源电动汽车跑上400公里,该科研成果将有望解决目前全球踌躇不前的电动汽车产业的主要障碍,为新能源发展注入新动力。如果将新型水锂电池应用于手机中,待机时间可以比目前的手机待机时间延长一倍,充电时间则只要喝一杯茶的工夫。
 
复旦大学已就研究成果申请了中国专利:
专利名称
专利申请号
专利申请日
一种水溶液可充锂电池
CN200710037908.X
2007-03-08
一种水溶液可充锂离子电池
CN200710037906.0
2007-03-08
 
从专利看研发水溶液可充锂电池的企业
目前水溶液可充锂电池还处于研发阶段,涉及的企业数量不多。
 
MOLI ENERGY 1990是一家加拿大锂离子电池企业,是1994年水溶液可充锂电池首篇论文的作者之一。同年2月23日,申请了加拿大专利“Aqueous rechargeable battery”,  之后又申请了日本、美国、欧洲等国家和地区的专利。1998年7月NEC增加了日本Moli Energy的出资比例,并将公司名称改为NEC MoLi Energy。2000年1月底,将 NEC MoLi Energy公司的全部股份转让给台湾锂离子电池厂家E-One Energy Technology Corp。该企业近年没有水溶液可充锂电池相关专利公开。公司主页也未涉及水溶液可充锂电池产品信息。
 
OVONIC BATTERY公司1994年申请美国专利“AN AQUEOUS LITHIUM-HYDROGEN ION RECHARGEABLE BATTERY”,之后没有相关专利公开。2012年被母公司——美国能源转换公司Energy Conversion Devices(ECD)以5800万美元现金价出售给BASF。
 
日本丰田中央研究所株式会社(TOYOTA CHUO KENKYUSHO)于2007年申请了水溶液可充锂电池日本专利“AQUEOUS LITHIUM RECHARGEABLE BATTERY”。
 
从国内看,除复旦大学外,郑州大学申请了中国发明专利“水系可充放锂离子的电极材料及水溶液可充放锂离子电池”(CN201210087143.1),没有国内企业涉足此领域。
 
参考文献:
1.       复旦研发出新电池 充电十秒汽车可跑四百公里http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2013/3/275655.shtm
2.       唐伟; 刘丽丽; 田舒; 吴宇平,水锂电的研究进展和展望,新材料产业, 2012年01期,69-74.
3.       刘丽丽,纳米钒酸锂及其改性材料作为水溶液可充电锂电池负极材料的研究,中国优秀硕士学位论文全文数据库 2012
4.       Xujiong Wang; Yuyang Hou; Yusong Zhu; Yuping Wu; Rudolf Holze ,An Aqueous Rechargeable Lithium Battery Using Coated Li Metal as Anode,
http://www.nature.com/srep/2013/130307/srep01401/full/srep01401.html
5.       Li W,Dahn J R,Wainwright D S.Rechargeable Lithium Batteries with Aqueous Electrolytes.Science,1994(5162),264,1115-1118.
6.       Joachim Köhler, et al. LiV3O8: characterization as anode material for an aqueous rechargeable Li-ion battery system, Electrochimica Acta, Volume 46, Issue 1, 31 October 2000, Pages 59–65.

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