發(fā)展大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)不僅要儲(chǔ)能體系具有高能量密度和低成本，而且還要求具備高安全性，易于維護(hù)和環(huán)境友好等特點(diǎn)。盡管鋰離子電池（LIB）具有非常高的比能量和循環(huán)壽命，但由于使用易燃的有機(jī)電解質(zhì)導(dǎo)致其在過(guò)充濫用條件下易燃燒甚至爆炸，因此其大規(guī)模應(yīng)用前景仍有待商榷。全釩氧化還原液流電池（VRB）受益于其水系電解液的高安全性，釩基電對(duì)的高電化學(xué)可逆性，以及低維護(hù)，設(shè)計(jì)靈活性等優(yōu)勢(shì)，已成功進(jìn)入商用儲(chǔ)能應(yīng)用。然而，電活性釩離子在VRB中的溶解度有限，導(dǎo)致其能量密度僅有~15Wh/kg。綜合考慮到LIB和VRB電池各自的優(yōu)缺點(diǎn)，我們?cè)O(shè)想能否“取長(zhǎng)補(bǔ)短”，構(gòu)建一種兼具高比能和安全特性的新型全釩水系鋰離子電池（VALB），該電池選用具有Li+嵌入活性的釩基材料作為正負(fù)極，以及Li+水溶液作為電解質(zhì)溶液。

實(shí)現(xiàn)該電池設(shè)想的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于釩基材料在水溶液體系中的長(zhǎng)期循環(huán)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。盡管許多釩基化合物（如VO2，LiV3O8和LiVOPO4等）在非水電解質(zhì)中嵌鋰性能優(yōu)異，但它們?cè)谒到橘|(zhì)中往往存在嚴(yán)重的溶解問題，導(dǎo)致循環(huán)過(guò)程中容量迅速衰減。另外，為了實(shí)現(xiàn)高的能量密度，要選用電勢(shì)差盡可能大的正極和負(fù)極材料，以獲得更高的電壓輸出。但是在高電壓下，水溶液會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的析氫/氧副反應(yīng)，使得電池的庫(kù)倫效率和循環(huán)壽命低下。最近研究發(fā)現(xiàn)，高濃度電解質(zhì)可有效降低有機(jī)或水溶劑的電分解活性，大幅擴(kuò)展電解液的電化學(xué)穩(wěn)定性窗口。特別是，當(dāng)電解質(zhì)鹽分解形成穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面（SEI）時(shí)，含水電解質(zhì)的電化學(xué)穩(wěn)定性窗口可以擴(kuò)展到~3.0V。此外，當(dāng)存在較高的鹽濃度時(shí)，由于同離子效應(yīng)，有望抑制活性材料的溶解問題。

最近，武漢大學(xué)錢江鋒副教授和先進(jìn)儲(chǔ)能材料國(guó)家工程研究中心鐘發(fā)平博士（共同通訊作者）提出使用LiVOPO4為正極和VO2為負(fù)極，20MLiTFSI高濃度水溶液作為電解質(zhì)，構(gòu)建一種新型全釩水系鋰離子電池（VALB）。該VALB電池具有優(yōu)異的電化學(xué)性能，平均工作電壓為~1.4V，理論能量密度為84.0Wh/kg和305Wh/L，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)全釩液流電池的能量密度。該電池還具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，在1000次循環(huán)中容量保持率為84％。此外，該VALB電池可在-20~80℃的寬溫度范圍內(nèi)工作，適合更廣泛苛刻的應(yīng)用環(huán)境。該文章發(fā)表在國(guó)際期刊EnergyStorageMaterials上。

【核心內(nèi)容】

圖1.制備的LiVOPO4正極的XRD圖（a），晶體結(jié)構(gòu)圖（b），SEM圖像（c）和TEM圖像（d）。所制備的VO2負(fù)極的XRD圖（e），晶體結(jié)構(gòu)圖（f），SEM圖（g）和TEM圖（h）。

圖2.全釩水系鋰離子電池VALB的示意圖。

圖3.（a）分別使用1M和20MLiTFSI溶液作為電解質(zhì)時(shí)，LiVOPO4正極和VO2負(fù)極的循環(huán)伏安圖（實(shí)線）。（b）LiVOPO4正極和VO2負(fù)極在1M和20MLiTFSI電解液中循環(huán)20周后電解液的顏色比較。

圖4.LiVOPO4正極和VO2負(fù)極在不同濃度的LiTFSI水溶液中充電/放電曲線。（a）1MLiTFSI中的LiVOPO4正極，（b）20MLiTFSI中的LiVOPO4正極，（c）1MLiTFSI中的VO2負(fù)極和（d）20MLiTFSI中的VO2負(fù)極。

圖5.LiVOPO4-VO2全電池的電化學(xué)性能。（a）充電/放電曲線（b）倍率性能（c）長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性（基于正極活性材料質(zhì)量）（d）功率-能量密度Ragone圖（基于總活性材料質(zhì)量）。

圖6.（a）20MLiTFSI的熱穩(wěn)定性。（b）離子電導(dǎo)率。（c）不同溫度-20℃，-5℃，25℃和80℃下的充電/放電曲線。（d）不同溫度下VALB全電池的循環(huán)性能（基于正極活性材料質(zhì)量）。

總之，通過(guò)使用LiVOPO4正極，VO2負(fù)極和20MLiTFSI水溶液為電解質(zhì)構(gòu)建了一種新型全釩水系鋰離子電池。與傳統(tǒng)的基于可溶性釩離子氧化還原反應(yīng)的全釩液流電池VRB不同，該VALB電池的工作機(jī)理為L(zhǎng)i+在固態(tài)釩基材料中的可逆嵌入/脫出，同時(shí)伴隨著固態(tài)晶格中的VO3+/VO2+和V4+/V3+的可逆氧化還原。此外，采用高濃度20MLiTFSI電解液可供應(yīng)寬廣的電化學(xué)窗口，并抑制釩基材料在水溶液中的溶解流失，從而使電極材料在循環(huán)過(guò)程中維持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。得益于這些優(yōu)點(diǎn)，該VALB電池展現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，平均工作電壓為~1.4V，理論能量密度達(dá)84Wh/kg，并具有出色的循環(huán)穩(wěn)定性，1000次循環(huán)后容量保持率為84％。此外，該電池可以在-20~80°C的溫度范圍內(nèi)工作?？偟膩?lái)說(shuō)，該全釩水系鋰離子電池有望在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。