在當(dāng)前全球新能源市場(chǎng)中，鋰電池作為一種應(yīng)用廣泛的新能源電池類型，擁有完整的產(chǎn)業(yè)鏈，需要確保鋰電池材料供應(yīng)鏈的穩(wěn)定性和安全性。目前，中國(guó)十大鋰離子電池制造商中的領(lǐng)先企業(yè)CATL，由于擁有自己的鋰資源礦，并通過(guò)并購(gòu)、合資和長(zhǎng)期協(xié)議，在該行業(yè)建立了競(jìng)爭(zhēng)壁壘。

 

高壓水性電池用分子擁擠電解質(zhì)

隨著我國(guó)新能源電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的不斷調(diào)整，我國(guó)新能量電池產(chǎn)業(yè)包括電動(dòng)汽車電池、摩托車電池等動(dòng)力電池生產(chǎn)和應(yīng)用產(chǎn)業(yè)。

除了鋰電池，還有很多類型的新能源電池產(chǎn)業(yè)在不斷發(fā)展，其中就包括水性電池。本文將介紹水性電池的優(yōu)缺點(diǎn)，并分析與鋰離子電池相比，水性電池在市場(chǎng)上是否具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

 

什么是水性電池

水性電池是指使用水作為電解質(zhì)的二次電池。與有機(jī)電解質(zhì)電池相比，水性電池具有安全性高、環(huán)境友好、離子電導(dǎo)率高等優(yōu)點(diǎn)。

因此，人們對(duì)水性電池的興趣激增，以尋求更可靠、更實(shí)惠的儲(chǔ)能解決方案。目前商用的水性電池用于交通和電網(wǎng)存儲(chǔ)領(lǐng)域，但無(wú)法達(dá)到所需的能量密度和循環(huán)壽命。這種限制將隨著新材料系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)和電池設(shè)計(jì)策略的發(fā)展而改變。

 

 

水性電池的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

水性電池通常被認(rèn)為是安全、可靠和負(fù)擔(dān)得起的，這與鋰離子電池相比是一個(gè)優(yōu)勢(shì)，鋰離子電池在電解質(zhì)溶液中使用易燃有機(jī)溶劑時(shí)不會(huì)著火。常規(guī)的水性電池使用的電解質(zhì)通常含有按重量計(jì)超過(guò)70%的水，因此通常是不易燃的。

 

優(yōu)點(diǎn)

低成本：水性電池低成本的論點(diǎn)至少源于三個(gè)因素：廉價(jià)的原材料、對(duì)制造環(huán)境的最低要求以及對(duì)電池管理和保護(hù)系統(tǒng)的有限需求。

安全性和可靠性：雖然水性電池可能不會(huì)著火，但水性電池仍然容易受到不當(dāng)處理的影響，并可能發(fā)生爆炸等災(zāi)難性事件。過(guò)度充電是一種不正確的操作，會(huì)不可逆地分解電解質(zhì)并降低電池性能；

快速動(dòng)力學(xué)：由于高離子離解和低粘度，在同等條件下，含水電解質(zhì)溶液通常比非水電解質(zhì)溶液更具導(dǎo)電性。

 

缺點(diǎn)

狹窄的電化學(xué)穩(wěn)定性窗口：水具有1.23V的狹窄熱力學(xué)電化學(xué)穩(wěn)定性窗口，超過(guò)該窗口，水被陽(yáng)極氧化為氧。

水溶液的侵蝕性：水的高極性和強(qiáng)配位能力使其成為溶解和離解的優(yōu)良溶劑。這些特性使水成為電解質(zhì)的良好成分，但對(duì)許多電池組件來(lái)說(shuō)卻是一個(gè)問(wèn)題。

 

 

鋰離子電池與水性電池

生活中最常見(jiàn)的鋰離子電池是磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池，它們具有能量密度高、體積小、重量輕、使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。然而，鋰是一種非?；钴S的金屬，當(dāng)它遇到極少量的水時(shí)，會(huì)立即發(fā)生反應(yīng)。鋰離子電池通常只能在嚴(yán)格控制的干燥室內(nèi)生產(chǎn)；

鋰電池對(duì)溫度也非常敏感，通常只能在接近室溫的-20至50°C范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。為了在使用過(guò)程中保持電池的健康，還需要根據(jù)溫度要求進(jìn)行操作。

面對(duì)尚未解決的安全問(wèn)題，科學(xué)家們將注意力轉(zhuǎn)向了水性電解質(zhì)。與目前用于鋰離子電池的有機(jī)電解質(zhì)相比，水性電池電解質(zhì)的“安全系數(shù)”要高得多。不難理解，電池水溶液不易燃，并且您希望在極端條件下使用電池，這大大降低了電池燃燒和爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。

水性電池電解質(zhì)的安全性高、制備條件簡(jiǎn)單、成本低一直是其引人注目的優(yōu)點(diǎn)。但水電池的缺點(diǎn)也很突出——窄的電壓窗口限制了電池的能量密度。

例如，鉛酸電池和鎳鎘電池等傳統(tǒng)水電池的電壓為1-2V，能量密度僅為30-50Wh/kg，遠(yuǎn)低于有機(jī)鋰離子電池（3-4V，150-250Wh/kg）。水性電池的能量密度小于鋰離子電池的1/3，因此使用水性電解質(zhì)的電池在市場(chǎng)上不具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

 

 

水性電池的未來(lái)發(fā)展

盡管現(xiàn)代工具和電池設(shè)計(jì)很可能已經(jīng)消除了傳統(tǒng)水電池的局限性，但所引入的權(quán)衡也不容忽視。大多數(shù)貧水電解質(zhì)和選擇性膜仍然很昂貴，削弱了水電池的成本優(yōu)勢(shì)。

制造多室電池的復(fù)雜性和用于陽(yáng)極的材料，如鋰金屬，增加了成本。差的水性電解質(zhì)和界面之間的離子傳導(dǎo)與非水性電解質(zhì)的離子傳導(dǎo)相當(dāng)，但遠(yuǎn)低于水性系統(tǒng)的常規(guī)預(yù)期。氧氣循環(huán)的實(shí)施在一些電池配置中似乎是有問(wèn)題的，并且需要穩(wěn)健的電池管理。

不燃性是傳統(tǒng)水性電池的唯一優(yōu)勢(shì)，但它在很大程度上得到了保留，電解質(zhì)、膜和電極都需要不斷改進(jìn)，才能出現(xiàn)具有商業(yè)影響力的現(xiàn)代水性電池。除了之前概述的策略外，以下緊迫但未充分探索的研究方向：電解質(zhì)相關(guān)問(wèn)題、定制膜和實(shí)用的雙離子電池。