2024年5月1日，海南大学文伟教授联合复旦大学晁栋梁教授在Advanced Materials期刊上在线发表了题为“A Membrane-Free Rechargeable Seawater Battery Unlocked by Lattice Engineering”的新成果。论文第一作者为海南大学文伟教授、硕士生耿超（现澳门大学/SIAT博士）、复旦大学博士生李欣然，通讯作者为文伟教授、晁栋梁教授。

通过有效的晶格调控工程合成了单个晶胞体积膨胀率为2.4%的锐钛矿TiO2。基于该晶格体积膨胀策略，研究组设计了一种具有优异应用前景的水系电池负极材料，该负极在5 mA/cm2下，可达到175 mAh/g的水系储钠容量（是普通锐钛矿TiO2的200倍以上，本文均基于活性物质进行计算）。除 Na+外，Mg2+和Ca2+等二价金属离子也可在晶格膨胀TiO2中实现高容量存储，且该负极材料在没有任何添加剂的天然海水电解质中也能实现高容量储能。谱学分析、电化学测试和理论计算揭示了晶格膨胀的储能机制，优异的储能性能主要来源于TiO2晶胞沿三轴方向的膨胀，导致钠离子扩散势垒从1.5 eV大幅度降低到0.4 eV。因此，将晶格膨胀的锐钛矿TiO2作为负极组装成的新型可充放电海水电池在1362.5 W/kg的比功率下实现102.5 Wh/kg的比能量（基于正负极活性材料质量）。该研究从晶格调控角度，通过新的晶格调控机理，实现二氧化钛储能性能从“无”到“有”的质变，对高性能电池材料和新型电池的开发具有一定的指导意义。

研究背景

水系电池由于其高安全性、低成本和高倍率性能，在电网规模的储能应用中受到了广泛的关注。海水可能是最理想的水系电解液，其具有环境友好、可持续性和零成本的独特优势。然而，目前的海水电池，由于其复杂的多离子环境，电化学活性材料缺乏，导致主要为一次电池难以再充电。近几年，虽然已开发出可充放电的海水电池，但在此类海水电池中，只有正极部分的电解液使用了海水，负极端仍然只能使用传统的有机电解液（缺乏可在海水中高容量、多离子存储的负极材料），且此类海水电池通常还需要昂贵的NASICON（快离子导体）陶瓷膜来分隔正极端和负极端。因此，此类传统电池并非真正的可充放电海水电池，其负极端使用有机电解液也存在正负极贯穿的“安全隐患”。基于上述难题，该研究创新地利用晶体工程将原本在海水中电化学惰性（无性能）的TiO2材料转变为高电化学活性材料，并以此构建出新型可充放电全海水电池。