能反復充放電、效率高和環(huán)境適應性強的二次電池是儲能技術的重要研究方向。鋰離子電池普遍采用有機電解質實現(xiàn)了3V以上的寬電化學窗口，因而比水系離子電池具有更高的能量密度。然而，有機電解質不僅有毒而且易燃，如果使用不恰當，會帶來嚴重的安全及環(huán)境問題，制約了鋰離子電池在規(guī)模儲能中的應用。研究者們一直在試圖用水系電解質代替有機電解質。相對而言，水系電解質環(huán)境友好和安全，且其離子電導率比有機電解質高兩個數量級，有望實現(xiàn)電池的高功率，還避免了有機電解質所需的嚴格制造條件，大大降低了生產成本。因此，水系離子電池在電網級別的大規(guī)模儲能領域中具有重要應用前景。

水系離子電池的工作電壓相對較低（一般低于1.5V），因而能量密度難以提高，制約了水系離子電池的發(fā)展。圍繞這一問題，中國科學院寧波材料技術與工程研究所劉兆平研究團隊最近幾年開展了新型高電壓水系離子電池的探索研究，取得了系列進展。2013年，該研究團隊提出“M+/N+混合離子”的新概念構建了兩種水系離子電池Na0.44MnO2/TiP2O7和LiMn2O4/Na0.22MnO2（ScientificReports2013,3,1946）。該類電池工作依賴于雙金屬離子的遷移，不同于傳統(tǒng)的搖椅式金屬離子電池只是依賴一種金屬離子工作。該概念的提出豐富了二次電池理論，為二次電池發(fā)展開辟了新方向。隨后，該研究團隊沿用此新概念，采用三維框架結構材料為電極正負極材料，發(fā)展了工作電壓>1.2V的水系二次電池新體系Ni1Zn1HCF/TiP2O7和Ni1Zn1HCF/NaTi2(PO4)3，并顯示出良好的應用前景（ChemSusChem2014,7,2295）。此外，該研究團隊發(fā)現(xiàn)菱方相鋅鐵氰配合物ZnHCF可作為鋅離子電池的正極材料，與金屬鋅負極構建出工作電壓為1.7V和能量密度達100Wh/kg的水系鋅離子電池（AdvancedEnergyMaterials2015,5,1400930）。并進一步利用“晶體調控生長”的策略制備了立方、截角和正八面體三種形貌的ZnHCF微米顆粒，揭示了其電化學性能與顆粒形貌有較大關系（ScientificReports2015,5,18263）。該系列研究結果為發(fā)展高電壓水系離子電池提供新思維。

最近，該研究團隊采用新型普魯士藍化合物InHCF為正極、磷酸鈦鈉NaTi2(PO4)3和焦磷酸鈦TiP2O7為負極、混合堿金屬離子水溶液為電解質構建出一系列高電壓水系電池。其中，InHCF/NaTi2(PO4)3電池工作電壓達1.6V，能量密度為56Wh/kg，功率密度超2700W/kg。為了揭示InHCF中水調控堿金屬離子嵌入機制，陳亮和邵和助聯(lián)合深入進行了理論計算與模擬，發(fā)現(xiàn)對于鋰/鈉離子，水分子可提高其嵌/脫電位并降低其嵌脫反應的動力學，對于鉀離子，水分子則不參加嵌脫反應。該研究工作最近發(fā)表在NatureCommunications2016,7,11982，得到了審稿人的高度評價。該研究工作既對設計高比能電極材料和理解離子嵌入型電極材料的儲能機制具有重要理論意義，又為建立實用型水系離子電池奠定了科學基礎。

上述研究工作得到了國家自然科學基金青年項目（51404233）、中科院重點部署項目（KGZD-EW-T08-2）、浙江省自然科學基金（LY15B030004）和寧波市自然科學基金（2014A610044）的資助。