陈秀娟
醌类有机负极材料的发现，突破了水系电池的寿命瓶颈，对电池行业各类产品的升级改造具有重要意义。
动力电池作为能量储存装置，是电动汽车的核心部件。其性能的优劣直接影响电动汽车的市场应用和普通消费者的接受度。而当下，电动汽车电池着火的事件时有发生，这反映出当下动力电池存在着一定的安全隐患。对比而言，当下市场上的铅酸电池和镍氢电池等水系电池使用水作为电解液，具有低成本、安全、不会燃烧等优点，但其缺点也很明显——循环寿命短，只有300次左右，无法满足电动汽车5000次以上循环寿命的储能需求。
那幺，有没有一种既安全且长寿命的电化学储能来解决这一问题？
近日，由美国休斯顿大学德州超导中心教授姚彦带领的团队利用廉价的有机材料制备出的新型水系锂离子电池，则很好地解决了这一难题。那幺，这种新型的水系锂离子电池相比传统的水系电池有哪些优势？
传统负极材料短板
据姚彦课题组成员梁衍亮博士介绍，对当下市面上的各种水系电池来说，其寿命的短板几乎都归结于这些水电池组成部件中的负极材料。“目前用于水系电池的负极材料或多或少地存在着结构和化学稳定性的问题。尤其是电流流过的部分，这意味着，一段时间之后，电池的容量会衰减，导致其寿命短。”梁衍亮说道。
具体说来，当下的水系电池主要可以分为酸性电池、碱性电池、中性电池三大类，由这三大类水系电池的负极材料产生的问题不可忽视。
对于酸性电池而言，以铅酸电池为代表。经过超过150年的发展，金属铅仍然是目前唯一能用于酸性电池的负极材料。但是，金属铅除了有毒之外，还会在深度充放电的过程中发生“硫酸盐化”而形成电荷无法穿透的钝化层，导致循环寿命一般只在300多。这种深充放场合目前多见于电动自行车，这种需要一年一换的电池显然难以大面积应用。
对于碱性电池而言，涵盖了镍铁、镍镉、镍氢和镍锌等电池。在碱性电池100多年的演变史中，正极材料始终固定为性能优越的氢氧化镍，而负极材料经过了铁、镉、储氢合金和锌等多代更迭后，仍无一不面临循环过程中的结构破坏，同时还受到化学腐蚀、成本高、材料资源有限等限制。
对于中性电池而言，主要包括金属离子电池，尤其是锂离子和钠离子电池。这类新兴电池技术目前仍处于基础研究阶段，负极材料仍有待克服电解液酸碱度波动的不稳定性问题。
新材料有何优势？
针对水系电池负极材料面临的上述问题，姚彦课题组提出了以有机醌类化合物作为适用于各种水系电池的通用负极材料。据记者了解，在此之前，姚彦课题组在过去几年里一直从事安全和低成本的新型能源存储材料研究，此次项目的研发，他们和美国西北大学以及加州大学圣地亚哥分校都进行了合作。
“在以电动汽车和电网储能为代表的大规模储能领域，安全和廉价的水系电池具有极大的优势，但有限的寿命却限制了它的广泛应用。如今，由于醌类有机负极材料的发现，使各类水系电池突破了寿命的瓶颈，从某种意义上说，这对电池行业各类产品的升级改造具有重要意义。”梁衍亮表示。
姚彦强调，他们使用的醌类有机材料远低于通常的电极材料价格（醌的成本只有2美元/公斤），且不含有害重金属元素，对环境没有污染。除此之外，该材料还具有比容量高、寿命长等优点，用该材料制成的新型水系锂离子电池寿命是传统铅酸电池的10倍，充电时间也仅需20分钟，可替代铅酸电池用于汽车启停电池、风光电储能、低速电动车等新能源领域。又由于新材料具备良好的宽温性能，即便是寒冷的天气也不会影响其性能。
据了解，醌类是具有1，2-苯醌或1，4-苯醌结构的有机化合物，在充放电过程中能发生化学和结构上高度可逆的离子配位反应。由于醌类的电位可调节、化学稳定性好、反应速率快、对离子选择广泛，它们能在任意酸碱度、多种载流离子、大温度范围、各种气氛下稳定工作，并与任何成熟的正极材料搭配，组成稳定的醌基水系电池。
姚彦表示，这种有机材料在酸性电池和碱性电池中都有稳定的化学性能，包括汽车使用的动力电池以及新兴的水性金属离子电池。这意味着基于醌的负极在未来的任何技术中都能发挥巨大的作用。
据梁衍亮介绍，对于酸性电池，醌类在成本上紧追以廉价闻名的铅，更因其在循环寿命和快速充电性能上的大幅提升，可以使酸性电池的应用领域扩展到大规模的储能行业。对于中性电池，醌类因为同时对氧气和碱稳定而使制作高能且安全的水系锂/钠/镁离子电池成为可能，向该类电池的实用化迈出了一大步。醌类对碱性电池的稳定性和低温性能等方面的提升有着重要意义，但目前在能量密度上仅达到酸性电池的水平，与商品碱性电池存在差距。“与使用现有负极的水系电池相比，醌基电池的能量和功率指标都毫不逊色，甚至在成本、低温性能、过充性能等方面更胜一筹，堪称水系电池发展的一大突破。”梁衍亮进一步表示。
由此可见，以有机醌类化合物作为水系电池的负极材料的共同优势是：性能稳定、价格低廉。而借助更优化的分子结构设计和正极材料搭配，其电池比能量还有望取得超过成倍的提高。
此外，据姚彦介绍，新型水系锂还可以简化生产工艺，无需干燥间，大大降低了生产成本。除了性能、成本、寿命方面的优势外，该新型水系锂离子电池还利于回收。由于水系离子电池采用中性盐水电解液，生产、使用、回收的全过程无污染，使用过的材料还可回收二次使用，同时其具有可扩展性，其采用模块化产品设计，从单元到组合应用，规模不限，为国家推动建立分布式微电网从源头上提供了技术支撑。
姚彦透露，正在研发的第二代水系锂离子电池具有更高的能量密度，目前该团队已经申请了多个国际专利，希望加快从技术向产品的转化进程。
