由于水性电解质具有不可燃性、低成本、环保和高离子电导率等特点，水性电池等水性储能设备在电网规模的固定应用中受到了前所未有的关注。特别是无人机、救生艇和浮标等海洋电气设备，使用海水电池作为直接电源更方便。然而，传统的海水电池属于一次电池，无法满足充电需求。近几年研究人员提出了可充电海水电池，但由于海水中存在多种离子（Na+、Mg2+、Ca2+、K+、Cl-、SO42- 等）的干扰，负极只能在传统的非水电解质中工作。NASICON膜是分离非水电解质和水电解质不可或缺的材料。因此，开发能够在海水中稳定工作且具有高容量的新型负极材料是实现可充放电。二氧化钛是一种具有吸引力的负极材料，它具有多种优点，包括资源丰富、成本低、稳定性好和生物相容性极佳。二氧化钛作为有机电解质钠离子电池的负极材料进行了广泛研究，但它在水电解质系统中的容量微乎其微。虽然有许多有效的方法可以调节层状材料的层间距，但要调节非层状金属氧化物的晶格常数却很困难。掺入较大的离子总会导致局部晶格膨胀和局部晶格畸变，但却无法实现晶格间隙位的均匀膨胀。有鉴于此，海南大学文伟团队联合复旦大学晁栋梁团队通过有效的晶格工程合成了晶胞体积扩大 2.4% 的锐钛矿二氧化钛。在水系储钠方面，晶格膨胀二氧化钛的容量可达212 mAh/g，是普通锐钛矿 TiO2 的 200 倍以上。除了 Na+ 外，Mg2+ 和 Ca2+ 等二价金属离子也可在晶格膨胀二氧化钛负极中高容量存储。因此，在没有任何添加剂的天然海水电解质中也能实现高容量。提升的性能主要归功于 TiO2 晶胞的三轴膨胀，导致 Na+ 扩散势垒从 1.5 eV 显著降低到 0.4 eV。通过在固有不活泼的锐钛矿二氧化钛中诱导 2.4% 的晶格膨胀，文伟团队在天然海水电解质中实现了高容量阳极。与之前报道的电池相比，该团队研发的海水电池具有独特的优势。首先，直接使用无成本的天然海水作为“全部”电解质，使其成为一种廉价、完全开放和可持续的系统。其次，在 Na+、Mg2+ 或 Ca2+水系电池中容量微乎其微的环保型锐钛矿二氧化钛，通过晶格扩展策略释放出了其高容量潜力。第三，与一次海水电池相比，它可以反复充放电；与最近的半海水电池相比，它使用海水作为整个电池的电解质，从而避免了有机电解质，是一种安全可靠的海水储能系统。相关研究成果近期以“A Membrane-Free Rechargeable Seawater Battery Unlocked by Lattice Engineering”为题、海南大学为第一单位发表于Advanced Materials。
Wei Wen, Chao Geng, Xinran Li, Hongpeng Li, Jin-Ming Wu, Hisayoshi Kobayashi, Tulai Sun, Zhenyu Zhang, and Dongliang Chao, A Membrane-Free Rechargeable Seawater Battery Unlocked by Lattice Engineering, Adv. Mater. 2024.DOI：10.1002/adma.202312343https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202312343
