為了尋求更可靠、更經濟的能源存儲解決方案，人們對水基電解質電池的興趣正在飆升。今天的商用水電池缺乏在快速增長的運輸和電網存儲領域競爭所需的能量密度和循環壽命，但隨著新材料和電池設計策略的開發，這種情況將會改變。傳統水電池的許多限制已經通過選擇性膜、稀水電解質和新型電極反應等創新得到了緩解。因此，空前廣泛的電極化學物質可以通過模塊化電池設計以以前不可能的方式配對，以實現傳統水電池無法實現的性能指標。然而，這些創新改變了水電池傳統上已知的特性，並可能導致妥協。本文首先回顧了水電池的歷史發展，總結了它們的基本優點和局限性。然後分析了現代化學和電池設計如何進一步加強水電池的優點，並解決其局限性，同時有時會妥協先前的優點，提供了現代水系電池設計的整體和關鍵概述。
圖文簡介
從智慧型手機到電動汽車，鋰離子電池為當今最耀眼的發明提供動力，並預計在未來幾年占據可充電電池增長的80%以上，但人們很容易忽視，以水溶液為電解質的防火電池仍占可充電電池市場的一半。今天的商用水電池大多是幾十年前開發的，缺乏在運輸和電網存儲應用中競爭所需的能量密度和循環壽命。然而，對比鋰離子電池更可靠、更經濟的儲能解決方案的持續追求，正推動研究人員重新發明水電池。近年來，材料創新使得新電池設計出現了爆炸式增長。隨著新材料的出現，許多以前被追求但難以整合到電池中的誘人化學物質現在已經變得可行。為了達到前所未有的性能指標，提出了新的化學方法。這些新發現和重新發現的化學物質與傳統水電池中目前使用的化學物質一起，使以前難以想像的電池設計成為可能。水電池的前沿領域正在迅速發展，使這項技術變得如此獨特，以至於有必要對其基本化學成分、工作特性和應用領域進行新的評估。
這篇綜述旨在捕捉可充電水電池的現代轉變，並展望前進的道路。首先，我們回顧了傳統水電池的歷史、特點、優點和局限性。這一概述提供了我們可以批判性地評估該領域的新進展的背景。然後，我們提供了材料創新和由此產生的新化學物質和電池設計的全面總結，使水電池過渡到現代儲能技術。最後，我們分析了新興的方向，並提出了我們對該技術下一步應該走向何處的看法。
商用可充電水電池，根據所使用電解質的pH值進行顏色編碼，以及實現水電池創新的新材料。HRPSOC，高速部分充電狀態。
主要電池及相關技術的發明時間軸如圖1所示。第一個可充電電池出現在160多年前，當時加斯頓Planté在1859年發明了鉛酸電池，比發電機發明早了10年。該工藝以PbO2/PbSO4氧化還原為陰極反應，PbSO4/Pb為陽極反應，硫酸為電解液。為了將鉛酸電池推向市場，人們花了20多年的時間，在多個團隊的共同努力下，完善了集流器的設計和電極的製造。從那時起，該技術一直在不斷改進，多次疊代開闢了新的應用領域。20世紀中期，通過凝膠電解質和吸附玻璃墊隔板固定酸，發明了免維護閥控鉛酸電池，使該技術適用於用於SLI(啟動、照明和點火)的汽車電池4。鉛陽極的新添加劑使電池能夠承受高速率的部分充電狀態，並在20世紀90年代末支持具有啟停功能的低排放汽車5,6。鉛酸電池繼續在當今的儲能技術中發揮重要作用，2019年按收入計算占可充電電池市場的50%。
水系電池中電極化學的類型。a，插入反應:活性電極材料在電極反應過程中容納和釋放離子，同時在很大程度上保留其微觀結構。b、轉化反應:活性物質發生結構重構，大多數情況下充放電態結構不相關。c、沉積反應:活性物質從溶解態(液相)轉變為沉積態(固相)。d，流動反應:活性物質在所有荷電狀態下都是流動的;它們被儲存在外部(例如，在水箱中)，只有在電極泵浦時才會發生反應。e、空氣反應:帶電狀態下的活性物質是空氣的組成部分，因此不需要物理存儲;放電狀態溶解在電解質(上)或沉積在多孔碳(下)。
水電解質中電極反應的能量度量。在酸性、中性、鹼性和非水電解質中可操作的反應分別用紅色方塊、黃色圓圈、藍色三角形和灰色菱形表示。具體容量根據每對中粗體公式計算。P(AQS)，聚蒽醌基硫化物;p-BQ p-benzoquinone;PbMs2，二甲基磺酸鉛;P (NDIE),聚(N, N - (ethane-1 2-diyl) 1, 4, 5, 8-naphthalenetetracarboxiimide)
a、搖椅式電池:一個普通離子作為兩個電極反應的離子電荷載體;公共離子的濃度在所有帶電狀態下都保持不變。b、雙離子電池:不同的離子在不同的電極上參與電極反應;每個離子的濃度隨電荷的狀態而變化。c、多電解質電池:多個電解質被集成到一個電池中，以實現不能同時由單一電解質支持的陰極和陽極化學反應，通常使用選擇性膜，並有利於寬電壓範圍。d、多相電池:沒有移動相的電極化學物質(如插入、轉換和沉積)和具有各種移動相的化學物質(如流動和空氣)結合在一個電池中，在某些情況下使用多種電解質。該原理圖顯示了一個包含空氣反應的流動電池(左)和一個採用流動設計用於沉積和插層反應的雙離子電池(右)。
結論與展望
儘管傳統水電池的局限性可能已經被現代工具和電池設計所消除，但它所帶來的妥協也不容忽視。大多數稀水電解質和選擇性膜仍然昂貴，破壞了水電池的成本優勢。貧水電解質和跨界面的離子導電性與非水電解質相當，但遠低於水體系的傳統預期。在某些電池配置中，氧氣循環的實現似乎存在問題，因此需要強大的電池管理。不可燃性是傳統水系電池的唯一優勢，似乎在很大程度上被保留了下來。
在具有商業影響力的現代水電池出現之前，電解質、膜和電極都需要不斷改進。除了之前概述的策略之外，我們還強調了以下迫切但尚未充分探索的研究方向。
Electrolyte-related問題。稀水電解質的折衷方案提供了很大的改進空間，特別是在離子導電性、成本和不可燃性方面。了解中等含水量(5-70 wt%)溶液的離子傳導、可燃性和(電)化學穩定性可以開闢材料科學的新研究領域。這些新電解質中的氧循環仍是未知的，這給許多現代水電池的穩健性帶來了不確定性。氧循環的實現將降低對電池中電極反應的電位範圍和安全機制的要求，從而在材料和電池的設計上都有更大的自由度。為了避免非活性元件的預期失效，集流體和粘合劑必須與電解液一起設計。
定製的膜。現代水電池中研究的大多數選擇性膜來自其他行業，在機械穩健性、化學穩定性、選擇性和尺寸方面的標準有很大不同。用於中性電解質的膜可能不需要Nafion提供的耐化學性。在高能量密度電池中，更薄的薄膜可能比更強的薄膜更好。關於專門用於特定電極反應的膜的報導仍然很少。
實用的雙離子電池。雙離子結構在電極化學選擇方面開闢了許多機會，但能量密度的降低和潛在的壽命問題使它們無法成為實際應用的有力競爭者。當涉及多個相同電荷的離子時，多電解質和多相電池經常面臨相同的挑戰。過飽和電解質是一種明智的方法，但關於這種解決方案的報導很少，其有效性在很大程度上仍未得到證實。由於部分轉換機制會導致結構失效，因此需要對材料和電極設計進行研究以確保可逆性。
儘管獨立地處理這些問題很重要，但關注集成不同解決方案的策略也同樣重要。集成應該易於擴展，這樣電池生產就不會成為製造過程中不可逾越的障礙。
論文信息
原文連結：https://www.nature.com/articles/s41578-022-00511-3
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