只要花10秒钟充60度电，就可以让装备了新型水溶液可充锂电池(简称为“水锂电池”)的电动汽车跑400公里?
近日，最新一期《自然》(Nature)杂志子刊《科学报道》(Sci. Report)刊发了复旦大学教授吴宇平领导的课题组关于水溶液锂电池体系的最新研究成果。
据该课题组实验测算，这一技术制造的新型锂电池，能量效率高达95%，它的能量密度(即同样大小、质量的情况下单位储存电能)，比目前普遍采用有机电解质的锂离子电池高出80%。该课题组研究人员介绍，预计装备这一新型水锂电池的电动汽车，满电状态下行驶距离可达400公里，而充电时间仅10秒钟左右;如应用于笔记本电脑、手机，待机时间可增加一倍以上。
吴宇平则在接受记者采访时表示，这一成果经《科学报道》刊发后，短短几天，已有美国新能源汽车开发的相关机构发出合作请求，但复旦方作为拥有原创知识产权方，更希望寻求与国内企业合作，尽快将这一成果在国内运用，推动新能源汽车产业的加速发展。
“高性能水锂电池从公布的数据来看，能量密度能够得到大的提升，循环性能也没有恶化，使用水系电解液也使安全性得到一定的保障，从这些方面看，水锂电池代表了锂电池发展的方向。”北京赛迪经智投资顾问有限公司高级咨询师张谦在接受本报记者采访时表示。
“正如其发明者吴宇平教授所强调的，水锂电池研发目前只是在原理上实现新突破，并在实验室得到了验证，但科学发明从实验室到产业化的过程并非一蹴而就，有很多问题仍需要解决。”张谦向本报表示。
“电位穿越”理论
从1859年勒克郎谢发明铅酸蓄电池，之后镍-镉电池、钠硫电池、液流电池以及较新的锂离子电池、水溶液可充锂电池(简称水锂电)直到复合超级电容器，一百多年来这个领域的发展一直备受瞩目。
吴宇平课题组采用复合膜将金属锂进行包覆，而后将其置于pH值呈中性的水溶液中，与锂离子电池中传统的正极材料如尖晶石锰酸锂组装，制成了平均充电电压为4.2V、放电电压为4.0V的新型水锂电池。
另外，该课题组还首次提出了锂离子在该复合膜发生“电位穿越”的理论。
据介绍，锂电池的主要工作原理是依靠锂离子在正负电极之间的迁移而产生电流的。这种迁移是在溶液中进行的。但是由于低电位的锂离子会和水溶液发生电化学反应(析出氢，生成氢氧化锂)，从而使电池自身发生损耗，不能发生可逆充电，因此水锂电池研究要解决的核心问题就是如何防止锂离子和水在低电位发生反应。而采用原有的“极化”(即不断尝试使用新型的材料制作电极)解决方案，只能使水锂电池所产生的电压最多达到2.0V，而且充放电效率低。
吴宇平介绍，该课题组则换了另外一种思路用高分子材料和无机材料制成复合膜，包裹在金属锂外。而这层复合膜成为了锂离子的电位在正负极之间“时空穿越”的“随意门”和“时光机”在这个膜的作用下，质子和水分子无法在低电位下得到电子，就不会在锂离子迁移过程中发生析氢或者水的分解。
吴宇平道：“你可以把它形象地想象成锂离子的电位经过膜，一下就到了负极，然后又直接从负极回到正极，就好像科幻片中，人跨过时光门可以直接在地球和外太空之间往返。”因此，吴也把这一新发现称作“电位穿越”。
据课题组介绍，新型水锂电，可以大幅降低电池的成本，提高其能量密度，从而使电池充电时间更短，储存电量更多，耐用时间更久。该体系计算的实际能量密度大于220 Wh/Kg(瓦时/公斤)，能量效率高达95%，预计装备这一新型水锂电的电动汽车的行驶距离有望达到400公里，而现在市面上售卖的电动车出行距离为150-180公里(如荣威E50在60公里等速时续航里程为180公里)。
产业化之路还很漫长
“目前锂电池技术研发的方向主要是在保证电池的安全性、循环性等基本性能基础上不断地提升能量密度。”赛迪顾问的高级咨询师张谦向本报表示，在传统的3C领域，由于智能手机、平板电脑的普及，原有的电池体系能量密度不能满足续航要求，主要通过改善电池设计和提高电池电压来增加能量密度，但是现有材料体系增加电压是存在极限的，只能提升13-20%左右。
在新能源汽车领域，《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020年)》中提出到2015年电池模块的能量密度要达到150KW/kg以上，事实上我国目前的动力电池模块的能量密度在100-120之间，进一步提升能量密度，解决新能源汽车尤其是纯电动汽车的“里程焦虑”是动力型锂电池技术发展的关键。
“总的来看，锂电池的攻坚难点之一就是提升电池的能量密度。”张谦表示。
而纵观上述新型水锂电池技术，在降低电池成本的同时，主要也就是提高了能量密度，以求解决目前纯电动汽车电池成本居高不下、续航能力短、充电时间长等瓶颈。
据了解，在该技术问世之后，国内也有众多企业找到吴宇平以求合作，以求将该项技术尽早产业化，甚至还有工信部科技司、上海新能源汽车推进办公室等也对这一技术表示关注的消息传出。
但在吴宇平看来，目前虽然实验室制备的水锂电池能量密度已比目前传统技术电池高出80%，但距离产业化还很远，需要十年甚至更长时间。
“从设备制造研发，到材料制备工艺优化，到测试环节，每一步都要尽可能完善，这不是两三年的事儿。”吴宇平表示，希望未来的合作方有打“持久战”的准备，不要盲目乐观。
“从报道的数据看，这种电池现在还只是实验室的一种研究，这种实验室级别产品能否经受起放大产品的考验还是未知数，尤其是在放大产品后的整体性能是否还能满足循环、安全性现在都还不可知，存在技术上的不确定性。”张谦也向本报表示，更重要的是这种电池的生产设备包括配套产业都不完善，产业化是否行得通都需要谨慎乐观。
“"水锂电池"从理论上讲是存在的，负极用金属锂，电解液用氢氧化锂等水溶液，选合适正极是能做成电池的。”邦凯新能源技术副总裁肖世玲向本报记者表示了类似的看法“产业化之路应该还很漫长”。“首先，锂做负极时在充放电循环产生枝晶引发安全问题已经几十年都没解决;其次，充放电电流密度过小;再者金属锂在水溶液中也容易发生化学反应。”肖世玲表示。
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