从绿色正极材料到可持续能源技术：水基锂离子电池中LiFePO4/Li4Ti5O12电极体系的创新设计与性能优化

本研究针对传统锂离子电池( LIBs )有机电解液的安全性和环境问题，创新性地采用水基电解液体系，通过镍修饰铝集流体(Ni/Al)增强亲水性，结合喷雾沉积技术构建LiFePO4(LFP)/Li4Ti5O12(LTO)电极系统。结果表明该体系具有优异的循环稳定性(200次循环后容量保持率>38%)和超亲水特性(接触角<20°)，为开发安全、环保的下一代储能技术提供了新思路。

　　

随着全球能源结构转型加速，可再生能源的间歇性特性对储能技术提出了严峻挑战。传统锂离子电池(LIBs)虽占据主导地位，但其有机电解液的易燃性、热失控风险以及钴等稀有金属的伦理问题，犹如达摩克利斯之剑高悬在新能源发展之路上。更棘手的是，严苛的湿度控制要求和复杂的电极制备工艺，使得大规模应用面临成本和环境双重压力。

为破解这一困局，研究人员将目光投向水基锂离子电池(ALIBs)。这类系统采用水溶性电解质，不仅将离子电导率提升至1 S cm^-1（比有机体系高数个数量级），还消除了热失控风险。但实现这一愿景需要攻克两大技术堡垒：铝集流体的疏水性问题，以及电极材料在水环境中的稳定性。

在这项发表于《Next Materials》的研究中，研究人员开创性地构建了LiFePO₄/Li₄Ti₅O₁₂(LFP/LTO)水基电池体系。通过镍电镀技术将铝集流体的接触角从82.69°降至15.36°，结合低温喷雾沉积工艺，成功实现了电极材料的均匀负载。令人振奋的是，这种"绿色制造"方案省去了传统工艺中90%的有机溶剂使用，且生产周期缩短40%。

研究团队运用X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)证实了材料的橄榄石结构稳定性，通过接触角测试仪量化了界面亲水性改进。电化学测试采用三电极体系，在0-1V电压窗口下进行循环伏安(CV)和恒流充放电测试，避免析氢/析氧副反应。

3.1 Al基板处理
镍镀层在500°C退火后形成Ni₃Al(110)择优取向，裂纹密度降低70%。改性后的Ni/Al集流体接触角达15.36°，为后续水性浆料涂布奠定基础。

3.2 LFP粉末特性
水热法合成的LFP-2经500°C退火后，XRD显示(020)晶面衍射峰半高宽减小42%，表明结晶度显著提升。SEM揭示其独特的菱形片状形貌，有利于锂离子沿b轴快速扩散。

3.3 喷雾沉积LFP膜
超声探针处理使浆料中FP杂质相溶解，沉积膜纯度与商业LFP相当。多孔结构使膜层具备瞬时超亲水性（接触角≈0°），电解液浸润时间缩短至0.3秒。

3.4 电池性能评估
LFP-2/LTO体系在60 mA/g电流下首周容量1.95 mAh/g，200次循环后保持0.75 mAh/g。对比实验显示商业LFP容量提升310%，证实性能差异主要源于材料本征特性而非水系体系限制。

这项研究的意义在于三方面突破：首次验证LFP/LTO在水系电解液中的兼容性；开发出可规模化的喷雾沉积工艺；建立铝集流体亲水性改性标准。尤为重要的是，通过替代传统NMP溶剂，每生产1kWh电池可减少3.2kg挥发性有机物排放。

未来研究将聚焦三个方向：引入生物质碳改善LFP电导率（目前<10^-3 S/cm）；优化超声探针参数控制粒径分布；开发新型缓蚀剂抑制Fe溶解。这些突破将使水系LFP电池的能量密度突破150 Wh/kg大关，为电网级储能提供更安全、更环保的解决方案。

该成果不仅为《"十四五"新型储能发展实施方案》提供了技术储备，更开创了电极绿色制造新范式。随着工艺优化，这种"水基电池"有望在医疗设备、航空航天等敏感领域率先实现商业化应用，最终推动全球储能产业向可持续发展方向转型。