發展大規模儲能技術不僅要儲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，易于維護和環境友好等特點。盡管鋰離子電池（LIB）具有非常高的比能量和循環壽命，但由于使用易燃的有機電解質導致其在過充濫用條件下易燃燒甚至爆炸，因此其大規模應用前景仍有待商榷。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，釩基電對的高電化學可逆性，以及低維護，設計靈活性等優勢，已成功進入商用儲能應用。然而，電活性釩離子在VRB中的溶解度有限，導致其能量密度僅有~15Wh/kg。綜合考慮到LIB和VRB電池各自的優缺點，我們設想能否“取長補短”，構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極，以及Li+水溶液作為電解質溶液。

實現該電池設想的一個關鍵挑戰在于釩基材料在水溶液體系中的長期循環的結構穩定性。盡管許多釩基化合物（如VO2，LiV3O8和LiVOPO4等）在非水電解質中嵌鋰性能優異，但它們在水系介質中往往存在嚴重的溶解問題，導致循環過程中容量迅速衰減。另外，為了實現高的能量密度，要選用電勢差盡可能大的正極和負極材料，以獲得更高的電壓輸出。但是在高電壓下，水溶液會發生嚴重的析氫/氧副反應，使得電池的庫倫效率和循環壽命低下。最近研究發現，高濃度電解質可有效降低有機或水溶劑的電分解活性，大幅擴展電解液的電化學穩定性窗口。特別是，當電解質鹽分解形成穩定的固體電解質界面（SEI）時，含水電解質的電化學穩定性窗口可以擴展到~3.0V。此外，當存在較高的鹽濃度時，由于同離子效應，有望抑制活性材料的溶解問題。

最近，武漢大學錢江鋒副教授和先進儲能材料國家工程研究中心鐘發平博士（共同通訊作者）提出使用LiVOPO4為正極和VO2為負極，20MLiTFSI高濃度水溶液作為電解質，構建一種新型全釩水系鋰離子電池（VALB）。該VALB電池具有優異的電化學性能，平均工作電壓為~1.4V，理論能量密度為84.0Wh/kg和305Wh/L，遠遠超過傳統全釩液流電池的能量密度。該電池還具有優異的循環穩定性，在1000次循環中容量保持率為84％。此外，該VALB電池可在-20~80℃的寬溫度范圍內工作，適合更廣泛苛刻的應用環境。該文章發表在國際期刊EnergyStorageMaterials上。

【核心內容】

圖1.制備的LiVOPO4正極的XRD圖（a），晶體結構圖（b），SEM圖像（c）和TEM圖像（d）。所制備的VO2負極的XRD圖（e），晶體結構圖（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溶液作為電解質時，LiVOPO4正極和VO2負極的循環伏安圖（實線）。（b）LiVOPO4正極和VO2負極在1M和20MLiTFSI電解液中循環20周后電解液的顏色比較。

圖4.LiVOPO4正極和VO2負極在不同濃度的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負極和（d）20MLiTFSI中的VO2負極。

圖5.LiVOPO4-VO2全電池的電化學性能。（a）充電/放電曲線（b）倍率性能（c）長期循環穩定性（基于正極活性材料質量）（d）功率-能量密度Ragone圖（基于總活性材料質量）。

圖6.（a）20MLiTFSI的熱穩定性。（b）離子電導率。（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全電池的循環性能（基于正極活性材料質量）。

總之，通過使用LiVOPO4正極，VO2負極和20MLiTFSI水溶液為電解質構建了一種新型全釩水系鋰離子電池。與傳統的基于可溶性釩離子氧化還原反應的全釩液流電池VRB不同，該VALB電池的工作機理為Li+在固態釩基材料中的可逆嵌入/脫出，同時伴隨著固態晶格中的VO3+/VO2+和V4+/V3+的可逆氧化還原。此外，采用高濃度20MLiTFSI電解液可供應寬廣的電化學窗口，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過程中維持結構的穩定性。得益于這些優點，該VALB電池展現出優異的電化學性能，平均工作電壓為~1.4V，理論能量密度達84Wh/kg，并具有出色的循環穩定性，1000次循環后容量保持率為84％。此外，該電池可以在-20~80°C的溫度范圍內工作。總的來說，該全釩水系鋰離子電池有望在大規模儲能領域具有巨大的應用潛力。