使用pH≈7且可直接环境丢弃的电解液的水系电池

为什么更安全的水基电池很重要

目前大多数可充电电池依赖易燃液体或强酸强碱，这带来安全与环境方面的担忧。本研究探索了一种新型水系电池，其工作在温和、近中性的溶液中——酸碱度类似饮用水或制作豆腐用的卤水。由于电解液温和且固体成分避免使用重金属，这类电池旨在实现长期储能，并在废弃时对环境无害。

现有水系电池的问题

水系电池长期以来被视为比标准锂离子电池更安全的替代品，因为水不燃烧。然而，大多数现有设计使用的液体要么相当酸性，要么强碱性。在这些条件下，水在电极表面发生析氢析氧反应。这不仅浪费能量，还会使电池慢慢失水，并产生损伤电极的气泡。此类电池被丢弃时，其腐蚀性液体也可能危害土壤和水体。作者着手设计一种保持水优势但工作于约pH7（接近中性）的电池，以减少这些副反应。

一种新的温和电解液与匹配的固体材料

研究团队选择了常见的镁和钙盐——MgCl₂与CaCl₂，作为电池内液体的基础。这些盐能形成高浓度溶液，具有较大的载流与迁移能力，同时保持近中性，并已在食品加工中安全使用。为配合这些电解液，研究者合成了一类多孔有机固体——共价有机聚合物，作为负极。通过略微改变连接这些构件的化学键，他们可以调节材料吸放电子的难易程度以及对镁或钙离子的亲和力。其中一种名为Hex-TADD-COP的版本表现突出，因其兼具快速电荷传输、良好的热稳定性和较低的工作电压，便于与高电压正极配对。

新电池如何储存电荷

在所选聚合物中，重复单元包含的氮原子排列使其能在充放电过程中短暂结合并释放镁或钙离子。借助计算模拟和多种光谱学方法，研究者表明这些氮位点可逆地配位二价离子而不破坏聚合物结构。关键在于，近中性的电解液中自由质子极少，因此氢离子在储能过程中几乎不起作用。对更酸性溶液的实验显示，当额外质子存在时，会引发不良反应，在电极表面形成绝缘沉积，从而迅速缩短器件寿命。相比之下，在pH7条件下，该电极在约120,000次快速充放电循环后仍保持超过70%的容量，对于水系电池而言这是异常长的寿命。

构建整电池并测试寿命

为展示完整可工作的器件，团队将新型聚合物负极与一种含铜和铁的普鲁士蓝类正极材料结合。在中性镁或钙盐溶液中，这一正负极组合产生了高达约2.2伏的工作电压——对于水系多价离子电池而言偏高。当考虑电极与电解液的总质量时，电池给出了约40–50瓦时/千克的比能量，与许多其他镁或钙体系相当或更优。同样重要的是，整电池在高电流下可在120,000次循环中保持实用容量，且采用更厚电极的折叠式（pouch）原型机在数千次循环中也运行稳定，这暗示了实际应用潜力。

对更清洁储能的意义

这项研究表明，可以构建出一种使用中性、食品级盐溶液和为避免破坏性副反应而设计的有机负极的长寿命可充电电池。通过将pH保持接近7，并依赖丰富、无毒的元素如镁、钙、碳、氮和铁，作者创造了一种理论上可在不需特殊处理的情况下丢弃且符合严格环境标准的器件。尽管仍需进一步提升能量密度并优化大规模制造，但这一方法指向了在极端寿命和低环境影响比追求最高能量密度更重要的应用场景中更安全、更绿色的电池方向。

引用: Chen, H., Feng, S., Wang, Y. et al. An aqueous battery using an electrolyte with a pH of 7 and suitable for direct environmental discard. Nat Commun 17, 2895 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69384-2

关键词: 水系电池, 镁离子存储, 钙离子电池, 中性电解质, 共价有机聚合物