锂离子储能因其技术成熟而主导市场，但其对大规模电网储能的适用性受到内部挥发性材料的安全问题的限制。因为锂离子电池起火引起的火灾时有发生。

近日，沈阳辽宁大学和澳大利亚皇家墨尔本理工大学（RMIT University）的科学家联合开发了一款 “水性金属离子电池”，简称“水电池”， 不会着火或爆炸。

研究团队目前已经开发出用于钟表的硬币大小的水基电池原型，以及类似于AA或AAA电池的圆柱形电池。

巨大潜力

“我们设计和制造的东西被称为水性金属离子电池 - 或者我们可以称之为水电池，它处于水系储能设备新兴领域的前沿，其突破显著提高了该技术的性能和寿命。” 首席研究员马教授表示。

该团队使用水来代替有机电解质 - 这使得电流在正极和负极之间流动 - 这意味着他们的电池不会起火或爆炸 - 与锂离子电池不同。

电池通过产生从电池的正极（阴极）到负极（阳极）的电子流来储存能量。当电子向相反方向流动时，它们会消耗能量，电池中的液体是用来在两端之间来回传递电子的。在水电池中，电解液是加了一些盐的水，而不是硫酸或锂盐之类的东西。

由于科学家利用水替代了有机电解质，这意味着电池永远不可能起火，也不会爆炸。并且该电池还可以轻松拆卸，以便材料能够回收再利用。

研究人员表示，新的水电池使用镁和锌等材料，这些材料在自然界中含量丰富，价格低廉，毒性低于其他种类的电池中使用的替代品，这有助于降低制造成本并降低对人类健康和环境的风险。

此外，这种电池制作工艺简单，所用材料在自然界中含量丰富，价格低廉，毒性更低。科学家称，短期1到3年内有望替代铅酸电池，5到10年内有望取代锂离子电池。水电池制造工艺的简单性有助于使大规模生产成为可能。

碱性介孔Mn的制备工艺示意图

来源：“Interface Polarization Effects Enhancing Mn2O@TiO@MXene Heterostructures for Aqueous Magnesium Ion Capacitors: Guided Charge Distribution and Transportation via Built-in Electric Fields”《Small Structures》

目前，这种电池的使用寿命与市场上的锂离子电池相当，能量密度约为每公斤75瓦时，约为最新款特斯拉汽车电池的30%，这项研究发表在Small Structures上。未来通过开发新型纳米材料作为电极还有望再次提高能量密度。

该团队为许多同行评审研究制作了一系列小规模试验电池，以应对各种技术挑战，包括提高储能容量和寿命。

在循环过程中裸锌（上图）和Zn@Bi/BiO的离子沉积行为和界面化学示意图

来源：“Synergy of Dendrites-Impeded Atomic Clusters Dissociation and Side Reactions Suppressed Inert Interface Protection for Ultrastable Zn Anode”，《先进材料，advanced materials》

在他们发表在《先进材料，advanced materials》上的最新研究中，他们战胜了一个重大挑战 - 破坏性枝晶的生长，这些树突是尖刺的金属结构，可能导致短路和其他严重故障。

该团队用一种叫做铋的金属及其氧化物（也称为铁锈）涂覆受影响的电池部件，作为防止枝晶形成的保护层。

马天一说，镁可能是未来水电池的首选材料，镁离子水电池有可能在短期内取代铅酸电池。比如一到三年。从长远来看，从现在开始的5到10年内，有可能取代锂离子电池。

镁比包括锌和镍在内的替代金属更轻，具有更大的潜在能量密度，将使电池具有更快的充电时间和更好的能力来支持耗电的设备和应用。

未来应用

研究人员表示，该团队的电池非常适合大规模应用，凭借更高容量和更长的使用寿命，使其成为电网存储和可再生能源例如太阳能电池板整合的理想选择，特别是在安全考虑方面。

随着技术的进步，其他类型的小规模储能应用，如为人们的家庭和娱乐设备供电，可能会成为现实。

随着可再生能源装机容量的增加，电池在能源领域的重要性将日益凸显。因此，电池领域的发展实际上才刚刚开始。

素材来源：皇家墨尔本理工大学