由于水性電解質具有不可燃性、低成本、環(huán)保和高離子電導率等特點，水性電池等水性儲能設備在電網規(guī)模的固定應用中受到了前所未有的關注。特別是無人機、救生艇和浮標等海洋電氣設備，使用海水電池作為直接電源更方便。然而，傳統(tǒng)的海水電池屬于一次電池，無法滿足充電需求。近幾年研究人員提出了可充電海水電池，但由于海水中存在多種離子（Na+、Mg2+、Ca2+、K+、Cl-、SO42- 等）的干擾，負極只能在傳統(tǒng)的非水電解質中工作。NASICON膜是分離非水電解質和水電解質不可或缺的材料。因此，開發(fā)能夠在海水中穩(wěn)定工作且具有高容量的新型負極材料是實現可充放電。二氧化鈦是一種具有吸引力的負極材料，它具有多種優(yōu)點，包括資源豐富、成本低、穩(wěn)定性好和生物相容性極佳。二氧化鈦作為有機電解質鈉離子電池的負極材料進行了廣泛研究，但它在水電解質系統(tǒng)中的容量微乎其微。雖然有許多有效的方法可以調節(jié)層狀材料的層間距，但要調節(jié)非層狀金屬氧化物的晶格常數卻很困難。摻入較大的離子總會導致局部晶格膨脹和局部晶格畸變，但卻無法實現晶格間隙位的均勻膨脹。有鑒于此，海南大學文偉團隊聯合復旦大學晁棟梁團隊通過有效的晶格工程合成了晶胞體積擴大 2.4% 的銳鈦礦二氧化鈦。在水系儲鈉方面，晶格膨脹二氧化鈦的容量可達212 mAh/g，是普通銳鈦礦 TiO2 的 200 倍以上。除了 Na+ 外，Mg2+ 和 Ca2+ 等二價金屬離子也可在晶格膨脹二氧化鈦負極中高容量存儲。因此，在沒有任何添加劑的天然海水電解質中也能實現高容量。提升的性能主要歸功于 TiO2 晶胞的三軸膨脹，導致 Na+ 擴散勢壘從 1.5 eV 顯著降低到 0.4 eV。通過在固有不活潑的銳鈦礦二氧化鈦中誘導 2.4% 的晶格膨脹，文偉團隊在天然海水電解質中實現了高容量陽極。與之前報道的電池相比，該團隊研發(fā)的海水電池具有獨特的優(yōu)勢。首先，直接使用無成本的天然海水作為“全部”電解質，使其成為一種廉價、完全開放和可持續(xù)的系統(tǒng)。其次，在 Na+、Mg2+ 或 Ca2+水系電池中容量微乎其微的環(huán)保型銳鈦礦二氧化鈦，通過晶格擴展策略釋放出了其高容量潛力。第三，與一次海水電池相比，它可以反復充放電；與最近的半海水電池相比，它使用海水作為整個電池的電解質，從而避免了有機電解質，是一種安全可靠的海水儲能系統(tǒng)。相關研究成果近期以“A Membrane-Free Rechargeable Seawater Battery Unlocked by Lattice Engineering”為題、海南大學為第一單位發(fā)表于Advanced Materials。
Wei Wen, Chao Geng, Xinran Li, Hongpeng Li, Jin-Ming Wu, Hisayoshi Kobayashi, Tulai Sun, Zhenyu Zhang, and Dongliang Chao, A Membrane-Free Rechargeable Seawater Battery Unlocked by Lattice Engineering, Adv. Mater. 2024.DOI：10.1002/adma.202312343https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202312343
