海南大學海洋科學與工程學院副研究員楊金霖在實驗室內進行海水電池測試。
受訪者供圖
海水電池是一種新型儲能技術，它以海水作為電解液，能夠有效降低電池生產成本，安全且具有可持續性，在海洋探測、水下通信和島礁供電等領域有著廣泛應用前景。但是，目前研制出的海水電池多為一次性電池，無法重復使用。
近日，海南大學田新龍和楊金霖“海洋清潔能源”創新團隊研制出了一種基于天然海水電解液的超長循環壽命、可重復充電的氯離子電池。該成果實現了可逆陰離子存儲電極的技術突破，是對可持續水系電池的一次革新，可為深遠海領域的電能儲備與供應提供解決方案。相關研究論文發表在國際學術期刊《美國化學學會雜志》。
攻克氯離子可逆存儲技術難題
“我國海域遼闊，海水資源豐富，海水中含有各種溶解性陽離子和陰離子，具有良好的離子導電性。如果能就地取材，使用天然海水作為電池的電解液，則可以解決電池的成本和安全性問題。”海南大學海洋科學與工程學院教授田新龍向記者介紹團隊研發可充電海水電池的初衷。
“現有的海水電池多是一次性電池，無法重復使用，導致其在很多領域的應用受限。這是因為一次性海水電池使用的電極材料不具備可逆儲存氯離子的能力。”海南大學海洋科學與工程學院副研究員楊金霖告訴記者。
海水電池要實現從“一次性”到“重復使用”，就必須解決氯離子可逆存儲電極這一難題。田新龍介紹，不同于常規電池基于鋰離子或鈉離子等陽離子存儲，海水電池的工作原理是基于氯離子存儲，氯離子則屬于陰離子。傳統的電極材料，例如氧化物和硫化物，均無法實現陰離子包括氯離子的可逆存儲，因此無法應用于可充電海水電池的開發。
該研究團隊通過查閱文獻和高通量計算，篩選了10余種潛在的無機氯離子存儲材料，并嘗試合成其中7種，最終選定MXene這一新型二維材料作為電池儲氯電極。
“與傳統材料不同，MXene材料是一種具有高導電性的層狀材料。”楊金霖介紹。高導電性有助于離子和電子的快速傳輸，而穩定的層狀結構有利于氯離子在材料層間的可逆嵌入和脫出，可以提高電池的循環壽命。
團隊研究人員發現，MXene材料具有一種可調控的表面官能團——氯表面端基。此外，該材料的氯表面端基可以與海水中的氯離子形成共價相互作用。這種弱相互作用既可以使氯離子吸附于材料層間，又能夠讓其快速遷移，從而實現氯離子的可逆存儲。
破解更耐腐蝕電池器件材料之困
雖然解決了儲氯電極材料這一首要問題，但海水中氯離子的腐蝕性仍待解決。
楊金霖告訴記者，團隊在研究初期就發現，海水電池的充電電壓很低，循環壽命也達不到要求。通過逐步排除影響因素，研究人員最終發現，氯離子對電池殼體和集流體存在較強腐蝕性，是影響電池性能的主要原因。
針對這一問題，團隊開始投入設計更耐腐蝕的電池器件：用更耐氯離子腐蝕的碳紙和鈦箔代替傳統的銅箔作為集流體;對電池的殼體進行防腐蝕處理;對連接工藝進行優化。這些改進措施有效降低了氯離子對電池的損害，提升了電池的整體性能和穩定性。
“目前鋰離子電池最佳運行溫度范圍在15攝氏度至35攝氏度，而我們開發的海水電池具有寬溫工作能力，可以在零下20攝氏度至50攝氏度的溫度范圍內保持穩定性能。”楊金霖介紹，過低或過高的環境溫度都會對電池性能的發揮帶來不利影響，甚至引發安全問題。
研究團隊認為，這種寬溫工作能力拓寬了電池的使用場景，使得電池可以用于需要在極端環境中使用的設備，例如電動汽車和儲能基站。面對夏日酷暑和冬日嚴寒，電池都能維持穩定性能，保障設備持續運行。
在實驗中，這款新研制的電池還展現了高可逆容量、高能量密度、超長循環壽命等良好特性。楊金霖介紹，電池的容量和能量密度越高，電池在一次充電后可以使用的時間就越長;長循環壽命則意味著電池可以重復充電—放電使用多次，而依舊保持優異性能。在實驗中，新研制的電池可于海水電解液中循環達40000次，這意味著其實際使用壽命將超過1年。
田新龍介紹，新研制的電池用天然海水代替了傳統的有機溶劑作為電池電解液，能節約大約10%的生產成本。電池的組裝過程也不需要無水無氧的嚴苛環境，對設備和制造工藝要求較低。因此，預計電池的整體價格能降低20%—30%。
此外，MXene電極材料中不含鋰、鈷等價格昂貴金屬元素，因此這種電池生產成本大幅降低，同時具有無毒環保的優勢，可助力推動全球能源的可持續發展、實現我國“雙碳”目標。
如何盡快讓創新成果實現落地轉化?田新龍認為，長遠看來，超長循環壽命的海水電池應用前景和潛在環境效益不容忽視，但目前它還面臨著諸多技術和市場挑戰。“我們還需要解決材料的規模化批量制備、電池器件的結構和工藝優化等問題。”他說。
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