卢怡君Matter：氢键锚定的电解质助力高能量密度水电池

Nanoyu

2021-11-11

由于水的分解，传统的含水电解质具有较窄的电压窗口。高浓度电解质能够扩大电压窗口，然而，由于成本高和潜在的毒性，它们受到了一定限制。

近日，香港中文大学卢怡君教授报道了开发了一种“H键锚定”电解质（环丁砜：H₂O = 8：8[摩尔比]或环丁砜：H₂O = 87：13[重量比]），与PEG分子聚集电解质相比，其具有更高的电导率（2.5 mS cm^-1）。

文章要点

1）研究人员选择环丁砜作为氢键接受剂，通过调控水分子的氢键结构来限制自由水的活性。当环丁砜的浓度逐渐增加时，水分子逐渐呈现“聚集体”和“被孤立”的状态。当环丁砜与水的摩尔比达到8:8时，水分子被完全分割为“孤立”态，此时电解液的电位窗口达到3.4 V（1.3—4.7V）。红外光谱和¹H核磁共振的结果共同证实了水分子的“被孤立”态。

2）实验结果显示，Li₄Ti₅O₁₂/LiMn₂O₄水电池在1 C循环300次，5 C循环1000次，库仑效率为99.5%~99.9%，比能量分别为141 W h kg-1和125 W h kg^-1。此外，在线电化学质谱显示循环过程中氢/氧气体的析出可以忽略不计，进一步证实了所设计电解液的稳定性。

3）所形成的LiF/Li₂S/Li₂SO₃-Li₂SO₃/Li₂CO₃层状负极-电解质界面（SEI）有效阻止了盐和溶剂的持续还原，同时进一步抑制HER。

这种氢键锚定的电解质为设计高能量密度的水系锂离子电池提供了一种通用的策略。

参考文献

Wang et al., Enabling high-energy-density aqueous batteries with hydrogen bond-anchored electrolytes, Matter (2021)

DOI：10.1016/j.matt.2021.10.021

https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.10.021