图为马里兰大学的Fei Wang在研究水基锌电池。图片来源：马里兰大学

来自马里兰大学(UMD)的詹姆斯克拉克工程学院的研究小组研发了一个同时具有强大功能，可充电和本质安全的水基锌电池。新的含锌电池最终不仅可用于消费电子产品领域中，还可以在极端条件下，有效的改善在航空航天，军事和深海环境中使用的安全关键设备和车辆的性能

由美国马里兰大学、陆军研究实验室(ARL)和国家标准与技术研究院(NIST)研究人员组成的研究小组，使用金属锌(1799年用于第一批电池的元素)来提高电池的能量，希望能突破他们在2015年取得的电池技术方面的进步。在以前的马里兰大学的先进工作中，研究人员使用新型安全的盐水电解质来代替常规锂离子电池中使用的易燃有机电解质。他们在Nature Materials杂志的一篇文章中报告了他们的最新研究进展。

“水基电池可有效的防止电池火 灾事故的发生，但它们的能量储存和容量受到了限制。直到现在，我们才首次研发出了在能量密度上能够与锂离子电池相匹敌的水基锌电池，而且，它还没有发生危险。” 本文的第一作者Fei Wang(UMD克拉克学校和陆军研究实验室联合任命的博士后)说。

Fei Wang引用了众多发生在手机，笔记本电脑和电动汽车中的众所周知的电池事故，从而表明了我们现在非常需要安全系数更高的电池，可与当前的锂离子电池性能相匹敌，甚至能提供更好的性能。

该团队的研发的这种新型高浓度水基锌电池也克服了传统锌电池的一些缺点。传统锌电池的缺点包括：只能在有限的充电周期内保持住容量；在使用和再充电过程中会出现树状晶体结构(被称为树突)的破坏性生长；以及需要定期用水补充电池电解液的持续水消耗。

“现有的锌电池安全且生产成本相对较低，但存在循环寿命较短且能量密度低的问题，因此它们并不完美，电池的发展受到了限制。我们通过使用盐水电解质克服了锌电池面临的这些难题。” 马里兰大学教授Chunsheng Wang(化学和生物分子工程系的教授，也是本文的相关作者)解释说。

通过科研人员之间的合作，研究人员确定了锌电池不可逆性的(这是科研人员在可充电电池使用情况中观察到的一种现象，即电池在额定电压下的充电量随电池使用次数的增加而明显降低)根本原因，并找到了新的解决方案。

“由于新电解液中的大部分水分子都被高浓度的盐强烈地结合在了一起，这种新型锌电池电解液中的水分不会在开放式的电解槽中蒸发。”Chunsheng Wang解释说，“电池技术的这一进步彻底改变了锌空气电池(锌空气电池主要是通过空气中的氧气来氧化锌，例如能源电网储存中使用的那些)。”

国家标准与技术研究院的物理学家，该论文的合著者Joseph Dura说：“如果锌电池可以实现充电功能，那么对于能量存储来讲，锌电池能量密度更大而且成本更低廉。我们研究发现了一些可以用来控制电解质中的围绕在储存和释放能量时在电池中来回移动的离子周围的分子的一些方法。借此，文章的合著者将这些知识用于制造高度可充电的锌电池，为了将其用作消费电子，汽车和电网储存的锂离子电池的安全替代品。”

科研人员表示，这种电池技术的进步为日后进一步研究电池奠定了基础，并且他们认为未来水基锌电池很有可能会实现商业化。

“我们在这项研究工作中取得的重大发现已经触及到了含水锌电池的核心问题，对于其他水溶液或非水溶液多阳离子电池(例如镁电池和铝电池)的研究也有一定的促进作用。” Kang Xu说(陆军研究实验室研究员兼论文的合著者)。