近日，我校化學(xué)系、新能源研究院夏永姚教授課題組首次提出一種新型的鋰離子（鈉離子）電池體系，該體系正極采用一種含有碘離子、鋰離子/鈉離子的水溶液，負(fù)極采用一種固態(tài)有機聚合物，電解質(zhì)采用硝酸鋰或硫酸鋰的水溶液，聚合物離子交換膜作為隔膜將液態(tài)正極和固態(tài)負(fù)極分隔開。

相關(guān)研究成果（“Environment-friendly Aqueous Li (or Na)-ion Battery with Fast Electrodes Kinetics and Super-long Life”）發(fā)表在國際頂級學(xué)術(shù)刊物《科學(xué)進展》（Science Advances，Vol. 2, no. 1, e1501038; DOI: 10.1126/sciadv.1501038）上。該雜志為Science刊物旗下子刊，是一個涵蓋所有學(xué)術(shù)領(lǐng)域的開放性、綜合性科學(xué)刊物。復(fù)旦大學(xué)先進材料實驗室2014級博士生董曉麗為該論文的第一作者。文章得到了審稿人一致的高度評價（Overall Evaluation: Excellent and Exciting），認(rèn)為“作者提出了一種新穎的電池體系”（“The authors present an original battery system”），“電池的動力學(xué)反應(yīng)快、壽命長、安全性高，使得這項工作創(chuàng)新而且重要”（"Moreover, this battery displays inherent fast electrodes kinetics, long life and high safety which make this work quite important and innovative."）。

據(jù)介紹，傳統(tǒng)的鋰離子電池的工作原理是基于鋰離子在正負(fù)極電極的嵌入/脫嵌，也稱“搖椅式電池”。新型電池工作原理與傳統(tǒng)的鋰離子電池相似：正極反應(yīng)基于溶液中I3-/I-電對的氧化還原，負(fù)極反應(yīng)基于聚酰亞胺上羰基的可逆烯醇化反應(yīng)，鋰離子/鈉離子聚合物交換膜為電池隔膜，充放電過程中伴隨著鋰離子Li+（或鈉離子Na+）在正負(fù)極之間的遷移。與傳統(tǒng)電池有限的循環(huán)壽命和功率密度相比，該體系中電池的正負(fù)極電極反應(yīng)均不涉及離子在固體材料中的擴散及其由此引起的充放電過程中電極材料的體積，能夠?qū)㈦姵氐母吣芰棵芏群碗娙萜鞯拈L循環(huán)壽命與高功率密度有效地結(jié)合起來。實驗表明，正負(fù)極材料均表現(xiàn)出較快的電極反應(yīng)動力學(xué)，使得電池表現(xiàn)出類似電容器的高功率性能。電池在0~1.6V的電壓窗口之間充放電，可以循環(huán)高達50,000次，這遠遠超過了傳統(tǒng)可充電電池的循環(huán)壽命（<10,000次）。

圖1.基于液態(tài)正極和固態(tài)負(fù)極的水系鋰離子/鈉離子電池

相對于現(xiàn)有使用金屬氧化物電極材料或有機電解質(zhì)溶液的二次電池和液流電池，這種新型的鋰離子（鈉離子）電池體系中所有的組分（包括水溶液電解液和電極材料聚酰亞胺和碘基活性物質(zhì)）都是環(huán)境友好無污染的。而且該電池體系中電極反應(yīng)并不涉及金屬元素的氧化還原，這也大大降低了電池的制造成本。該電池具有能量密度高、功率密度大、循環(huán)壽命長、安全性高、成本低等優(yōu)異的性能，將來可望用于風(fēng)力、太陽能發(fā)電等能量儲存、智能電網(wǎng)峰谷調(diào)荷等。

研究得到了國家自然科學(xué)基金委、上海市科委和教育部能源材料化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心（2011?iChEM）的資助。