第一作者：王华、陈哲、纪臻原
通讯作者：黄燕
通讯单位：哈尔滨工业大学（深圳）
水系可充电电池在安全、经济和环保可持续性等方面有非常良好的发展前景，以水作为电解液溶剂有以下优点: 1)由于水的不可燃性而使电池具有本征安全性; 2)水的成本比有机溶剂廉价很多; 3)组装方便，对制造环境无严格要求; 4)水电解质离子电导率高，比有机电解质离子电导率高约2个数量级; 5)无毒、环保，可持续性好。
考虑到实际应用中电池必须经历不同的温度环境，比如不同纬度地区、不同季节气候等，因此水系可充电电池的宽温度范围应用对其发展至关重要。然而，溶剂水对于不同的温度却十分敏感：低温下，电解质的离子电导率极大降低，电化学动力学缓慢等因素严重影响电池的功率和能量，另外过低温度甚至会让溶剂水冻结而使电池失效；高温则会加速电极材料溶解，电池产气等问题，严重影响电池的稳定性。因此，实现宽温度范围应用的水系可充电电池仍然存在较大的挑战。
近日，哈尔滨工业大学（深圳）黄燕教授团队综述了近年来水系电池在不同温度区间下遇到的问题及相应的解决策略，主要从电解质和电极材料两个方面进行阐释与总结，对电池的其他组分也作了简短介绍。另外进一步讨论了阻燃导电材料在电池应用的可行性，以实现绝对安全的抗燃/抗热失控电池。最后就这一新兴领域存在的挑战与机遇进行了讨论，希望能够鼓舞和启发读者进一步研究出更有效的策略来实现宽温度范围及高安全的水系可充电电池。
图1. 水系可充电电池不同温度下的问题概览
要点1. 低温水系可充电电池
无论是有机系还是水系电池，低温都会极大的限制电池的性能发挥。有机系可通过选配不同的有机溶剂组分或比例来调节溶剂的熔点，但是水系电池的电解质溶剂固定为水，这对于研究开发出高性能低温电池更具挑战。
1）高浓盐电解质：当温度降低时，水中氢键逐渐增加且与水分子结合形成规则的空间结构，约束水分子和离子的移动。其中一种简单有效的方法是提高电解质盐的浓度，因为离子会与水分子相互作用形成水合离子，增加了水分子之间的距离，减少了氢键，从而有效地降低了电解质的冰点。但是，并不是一味地增加盐的浓度就是良好的策略，因为盐的溶解度会随着温度的降低而降低。因此，找到盐的浓度与温度的平衡点对于提高低温电解质的性能非常关键。
图2. 水系电池电解质的高浓盐策略
2）电解质添加剂或凝胶基团：除了增加溶液本身的浓度外，引入电解质添加剂或者是有机基团修饰的凝胶电解质也是非常有效的提升低温电解质性能的方法。
图3. 凝胶电解质和添加剂策略
3）非金属载流子电解质：与传统的金属离子相比，非金属载流子在电池应用中同样具有优异的性能。其中氢离子由于其低原子质量和半径使其具有快速的动力学，低温对质子的束缚作用相对较弱，因而质子电池的低温表现也非常出色。
4）电极材料：相对而言，低温下电极材料的研究较少。然而，低温下电极的状态对维持电池正常运行也是至关重要的。众所周知，任何电极反应都有电阻，而电荷转移电阻是影响电极反应难易程度的重要因素。低温会增加电极的电荷转移电阻，导致电极反应更加困难。可通过设计合适的电化学电极反应或者开发耐低温的电极材料来解决此问题。
图4. 低温电极策略
要点2. 高温水系可充电电池
高温能提高电解质的离子电导率，加速反应动力学，可在一定程度上提升电池的容量，不过，高温同样会带来电解质挥发鼓胀，电极材料溶解及更严重的副反应等问题。
1）电解质：提升电解质的稳定性能够有效的避免电池出现以上各类问题，具体方法包括：1.添加合适的电解质添加剂；2.通过凝胶电解质基团修饰增强溶剂的稳定性；3.使用热稳定性更优异的盐类电解质。
图5. 高温下电解质策略
2）电极材料：高温会加速电极材料的溶解，可参考的解决方法包括：1.离子预掺杂得到稳定的电极材料结构；2.表面包覆抑制材料溶解。
图6. 高温下电极策略
要点3. 耐燃材料的应用
水系电池由于溶剂水的存在使得其具有很高的安全性，不过要实现绝对安全的电池，则电池的各个组分都应该考虑其阻燃性问题。因此，为实现极致的安全性，阻燃导电材料在电池上的应用也是非常有前景的。
图7. 阻燃材料的策略演示
本文通过对近年来研究进展的回顾，系统地总结了不同温度区域的水系可充电电池所面临的问题和解决策略。此外，还提出了实现极致安全的不可燃电池的设想。目前关于水系可充电电池的温度适应性问题的研究仍然起步阶段，存在许多需要充分解决的问题与挑战。本文对于水系可充电电池的宽温度范围应用具有重要的借鉴意义，旨在为此类研究工作提供系统性的总结和新思路，推动水系电池的学术和产业进程。
Hua Wang, Zhe Chen, Zhenyuan Ji, Panpan Wang, Jiaqi Wang, Wei Ling, and Yan Huang. Temperature Adaptability Issue of Aqueous Rechargeable Batteries. Materials Today Energy, 2020, 100577. Doi: 10.1016/j.mtener.2020.100577.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2468606920301969
黄燕，教育部青年长江学者，广东省杰出青年科学基金获得者，深圳市青年科技奖获得者。研究工作主要围绕先进电化学能源材料的设计开发及其在柔性和可穿戴领域的应用研究。迄今为止已在Nature Commun.; Adv. Mater.; Angew. Chem. Int. Ed.; Adv. Energy Mater.; ACS Nano等国际权威期刊发表论文近90篇，被Nature Rev. Mater., Chem. Rev., Nature Commun., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed.等国际期刊评价和引用6000余次，15篇论文被入选为ESI高被引论文，H指数42。
免责声明：以上内容转自微算云平台。文章仅代表作者个人观点，不代表新威研选立场。
