生活中最常见的锂离子电池是磷酸铁锂电池和三元锂电池,具有能量密度高、体积小、重量轻、寿命长等优点。但是锂是一种非常活泼的金属,遇到极少量的水就会立刻发生反应。锂离子电池通常只能在严格控制的干燥室内生产。
锂电池对温度也非常敏感,通常只有在接近室温的-20到50℃范围内才能稳定工作。为了使电池在使用过程中保持健康,还需要根据温度要求进行操作。
面对尚未解决的安全问题,科学家们将注意力转向了水性电解质。与目前锂离子电池使用的有机电解液相比,水性电池电解液的“安全系数”要高得多。不难理解,电池水溶液不易燃,你想在极端条件下使用电池,大大降低了电池燃烧爆炸的风险。
水性电池电解液的安全性高、制备条件简单、成本低廉一直是其显著的优点。然而,水电池的缺点也很突出——狭窄的电压窗口限制了电池的能量密度。
比如铅酸电池、镍镉电池等传统水电池的电压为1-2V,能量密度仅为30-50Wh/kg,远低于有机锂离子电池(3-4V,150-250Wh/kg)。水性电池的能量密度不到锂离子电池的1/3,所以使用水性电解液的电池在市场上没有竞争优势。
虽然现代工具和电池设计很可能已经消除了传统水电池的局限性,但引入的权衡也不容忽视。大多数贫水电解质和选择性隔膜仍然价格昂贵,削弱了水电池的成本优势。
制造多室电池的复杂性和用于阳极的材料,例如锂金属,增加了成本。不良水性电解质与界面之间的离子传导与非水性电解质相当,但远低于水性体系的常规预期。氧气循环的实施在一些电池配置中似乎存在问题,并且需要稳健的电池管理。
不燃性是传统水性电池唯一的优点,但在很大程度上得到了保留,电解液、隔膜、电极都需要不断改进,才能出现具有商业影响力的现代水性电池。除了之前概述的策略之外,以下迫切但未充分探索的研究方向:电解质相关问题、定制膜和实用双离子电池。