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2024年5月1日，海南大學(xué)文偉教授聯(lián)合復(fù)旦大學(xué)晁棟梁教授在Advanced Materials期刊上在線發(fā)表了題為“A Membrane-Free Rechargeable Seawater Battery Unlocked by Lattice Engineering”的新成果。論文第一作者為海南大學(xué)文偉教授、碩士生耿超（現(xiàn)澳門大學(xué)/SIAT博士）、復(fù)旦大學(xué)博士生李欣然，通訊作者為文偉教授、晁棟梁教授。

通過(guò)有效的晶格調(diào)控工程合成了單個(gè)晶胞體積膨脹率為2.4%的銳鈦礦TiO2?；谠摼Ц耋w積膨脹策略，研究組設(shè)計(jì)了一種具有優(yōu)異應(yīng)用前景的水系電池負(fù)極材料，該負(fù)極在5 mA/cm2下，可達(dá)到175 mAh/g的水系儲(chǔ)鈉容量（是普通銳鈦礦TiO2的200倍以上，本文均基于活性物質(zhì)進(jìn)行計(jì)算）。除 Na+外，Mg2+和Ca2+等二價(jià)金屬離子也可在晶格膨脹TiO2中實(shí)現(xiàn)高容量存儲(chǔ)，且該負(fù)極材料在沒(méi)有任何添加劑的天然海水電解質(zhì)中也能實(shí)現(xiàn)高容量?jī)?chǔ)能。譜學(xué)分析、電化學(xué)測(cè)試和理論計(jì)算揭示了晶格膨脹的儲(chǔ)能機(jī)制，優(yōu)異的儲(chǔ)能性能主要來(lái)源于TiO2晶胞沿三軸方向的膨脹，導(dǎo)致鈉離子擴(kuò)散勢(shì)壘從1.5 eV大幅度降低到0.4 eV。因此，將晶格膨脹的銳鈦礦TiO2作為負(fù)極組裝成的新型可充放電海水電池在1362.5 W/kg的比功率下實(shí)現(xiàn)102.5 Wh/kg的比能量（基于正負(fù)極活性材料質(zhì)量）。該研究從晶格調(diào)控角度，通過(guò)新的晶格調(diào)控機(jī)理，實(shí)現(xiàn)二氧化鈦儲(chǔ)能性能從“無(wú)”到“有”的質(zhì)變，對(duì)高性能電池材料和新型電池的開(kāi)發(fā)具有一定的指導(dǎo)意義。

研究背景

水系電池由于其高安全性、低成本和高倍率性能，在電網(wǎng)規(guī)模的儲(chǔ)能應(yīng)用中受到了廣泛的關(guān)注。海水可能是最理想的水系電解液，其具有環(huán)境友好、可持續(xù)性和零成本的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。然而，目前的海水電池，由于其復(fù)雜的多離子環(huán)境，電化學(xué)活性材料缺乏，導(dǎo)致主要為一次電池難以再充電。近幾年，雖然已開(kāi)發(fā)出可充放電的海水電池，但在此類海水電池中，只有正極部分的電解液使用了海水，負(fù)極端仍然只能使用傳統(tǒng)的有機(jī)電解液（缺乏可在海水中高容量、多離子存儲(chǔ)的負(fù)極材料），且此類海水電池通常還需要昂貴的NASICON（快離子導(dǎo)體）陶瓷膜來(lái)分隔正極端和負(fù)極端。因此，此類傳統(tǒng)電池并非真正的可充放電海水電池，其負(fù)極端使用有機(jī)電解液也存在正負(fù)極貫穿的“安全隱患”?；谏鲜鲭y題，該研究創(chuàng)新地利用晶體工程將原本在海水中電化學(xué)惰性（無(wú)性能）的TiO2材料轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娀瘜W(xué)活性材料，并以此構(gòu)建出新型可充放電全海水電池。