近期，海南大学文伟教授团队基于商用锂离子电池中的“摇椅”机制，利用开放式框架型正极与钠离子快离子导体型负极的插层型无机电极材料，成功开发出一种“摇椅”型可充电海水电池。该研究为开发低成本、可持续的储能电池提供了新途径。相关成果以“A Rocking-chair Rechargeable Seawater Battery”为题发表在Research上。
Citation:Jialong Wu, Yongshuo Zheng, Pengfei Zhang, Xiaoshuang Rao, Zhenyu Zhang, Jin-Ming Wu, Wei Wen. A Rocking-chair Rechargeable Seawater Battery.
Research, 2024, 7, 0461. DOI:10.34133/research.0461
1 研究背景
太阳能、风能等可再生能源具有间歇性的特点，亟需开发高效的储能系统以确保电网稳定运行。在大规模储能领域，电池的安全性、经济性、可持续性至关重要。在众多储能技术中，水系钠离子电池因其低成本、环保、安全性高、资源丰富，逐渐引起广泛关注。尤其是基于海水电解液的可充放电全海水电池（RSWB），凭借取之不尽的海水资源和环保优势，成为极具潜力的可持续储能方案。然而，目前已经开发的可充放电全海水电池仍存在能量效率和循环稳定性不足的问题。为了提升RSWB的性能，电极材料的优化与调控至关重要。
2 研究进展
普鲁士蓝类似物等开放框架结构材料和NASICON型材料分别具有多离子嵌入能力和强抗干扰能力，成为理想候选材料。海南大学文伟教授团队提出使用Mn掺杂Co基普鲁士蓝类似物K0.97Co0.8Mn0.2[Fe（CN）6]0.81•2.2H2O作为正极材料、NASICON型磷酸钛钠空心纳米材料作为负极材料，以天然海水为电解液，成功实现了摇椅可充电的海水电池的构筑（图1）。
图1 摇椅可充电海水电池的示意图
组装的可充电海水电池展现出优异的倍率性能。在电流密度为2、3、5、8、10和15 A/g时，其比容量分别为62.1、60.2、55.2、44.8、35.0和23.5 mAh/g（基于正负极活性物质重量）。同时，该电池在5 A/g电流密度下经过1000次循环后，容量保持率为66.3%。在功率密度为1226.9 W/kg时，电池的能量密度达到80.0 Wh/kg，优于此前报道的海水储能器件。此外，该电池在5 A/g的高电流密度下的能量效率为63.3%，显著优于团队此前报道的TiO2//CoxMn3-xO4二次海水电池。最后，通过组装的软包电池为LED显示屏供电，展示其潜在应用前景。
图2 全电池电化学性能，可充电海水电池和水系钠离子电池的Ragone图和软包电池点亮LED显示屏光学照片
3 未来展望
未来仍需要在确保海水电池具备高能量密度与长循环寿命的前提下，进一步提升能量效率和长期稳定性。同时，降低制造成本并实现大规模生产是商业化应用关键。
4 作者简介
文伟，海南大学教授，博士生导师，海洋科学与工程学院副院长。兼任海口市青年联合会副主席、中国硅酸盐学会溶胶凝胶分会理事、中国机械工程学会热处理分会青年工作者委员会委员、海南省青年科技工作者协会理事等，担任Research等期刊的青年编委。主要研究方向为储能材料、海洋能源利用、表面处理。研究成果以第一作者/通讯作者发表于Research、Chem、Advanced Materials、Nano Letters等期刊，主持国家自然科学基金项目、海南省“揭榜挂帅”项目、海南省重点研发计划项目等多项项目，获海南省科学技术进步奖一等奖、海南自然科学奖二等奖、GE基金会科技创新奖一等奖等奖项。
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