加盐提高含水离子液体的工作电压

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

离子液体是一种具有高工作电压的电解质，但固有的吸水性制约了其在电能储存领域内的应用：在合成过程以及相关器件的生产过程中，离子液体总会从空气中吸附一定量的水，水的存在会降低电解质的工作电压；而无水的工作环境会增大其应用成本。那么，如何增大含水离子液体的工作电压呢？近日，华中科技大学的冯光教授团队与其厦门大学的合作者毛秉伟-颜佳伟教授团队采用向含水离子液体添加少量锂盐这一简单而易操作的策略，实现了含水离子液体工作电压的增加。

近年来，作为储能装置（如超级电容器和电池）、场效应晶体管、电润湿技术等所需的电解质，离子液体正受到越来越多研究者的关注。然而，因其吸水性，离子液体中的水总是难以被彻底除去。针对离子液体含水的影响，已有理论和实验研究表明：在形成电极-离子液体双电层固液界面的过程中，采用亲水性离子液体可以有效避免受潮离子液体中的水吸附在负电极表面上，从而避免工作电压的降低；疏水离子液体在潮湿环境中也会吸附少量的水，而这部分水将会富集在电极表面上，使电解质的工作电压降低，最终导致器件/设备的工作性能降低。因此，如何减小疏水离子液体中含水的负面影响（即水在电极表面上的吸附），成为了离子液体电解质应用领域内亟需解决的核心问题之一。

华中科技大学冯光教授团队提出的向含水离子液体添加少量锂盐的策略很好地解决了上述问题。他们以分子动力学模拟和第一性原理计算为主要研究手段，发现向含水的疏水离子液体电解质中添加少量的锂盐，既可以有效避免含水离子液体中的水吸附在电极表面上，又可以降低电极吸附水的反应活性，从而增大了含水离子液体电解质的工作电压。模拟预测结果得到了合作者厦门大学毛秉伟-颜佳伟教授团队的实验证实。进一步阐释了加盐的微观作用机制和实现原理：1) 由于锂离子的强水化作用，水被拽离了电极壁面；2) 锂离子与仍吸附在电极上的水相结合，降低了水的反应活性；3) 锂离子改变了吸附水的方位分布，抑制了水的分解；4) 与锂离子结合，降低了水的HOMO能级，从而提高了其氧化稳定性。

图1. 锂盐作用机理。图片来源：Nat. Commun.

该工作基于纳米尺度界面与能质传递的基础研究，以储能器件中的电极-电解质固液界面为研究对象，探究了添加锂盐对疏水离子液体在电极表面上吸附水的影响规律及其作用机理。这一研究结果，加上团队前期有关亲水离子液体的工作（Nat. Commun., 2018, 9, 5222），解决了离子液体因吸水而降低电压的难题，不但给离子液体超级电容器储能技术的研究与开发提供了新思路、新方案，而且还有利于含水离子液体在其他领域内的应用（如具有高浓度盐溶液的电池等）。

这一成果近期发表在Nature Communications 上，该论文的共同第一作者分别为华中科技大学能源学院的博士后陈明和厦门大学的博士生吴杰督，通讯作者为冯光教授。该工作得到了国家自然科学基金项目和湖北省自然科学基金的支持。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Adding salt to expand voltage window of humid ionic liquids

Ming Chen#, Jiedu Wu#, Ting Ye, Jinyu Ye, Chang Zhao, Sheng Bi, Jiawei Yan, Bingwei Mao, Guang Feng*

Nat. Commun., 2020, 11, 5809, DOI: 10.1038/s41467-020-19469-3

冯光教授简介

冯光，男，1980年9月生。华中科技大学教授/博导，英国皇家化学学会会士，湖北省杰出青年基金获得者。近些年来，一直从事于能源领域中的微纳尺度界面相关的基础问题研究，在有关新能源的新型电能储能装置和二氧化碳驱油等应用领域取得了一些创新性成果。研究工作具有物理、化学、材料、计算机等方向综合交叉的学科特点，已发表英文书籍3章，SCI期刊论文80多篇（其中第一或通讯作者50多篇，如Nature Materials、Nature Communications、Physical Review X、Advanced Energy Materials、ACS Nano、Nano Energy、Nano Letters 等），SCI引用>2900次，H因子31（Scopus统计）；受邀在国际大会上作报告15次、担任分会主席5次。现任SCI期刊《ChemElectroChem》(IF: 4.154) 编委和《Green Energy & Environment》(IF: 6.395)青年编委。

课题组网页：

http://ITP.energy.hust.edu.cn

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：如上所述，我们的研究兴趣是能源领域中的微纳尺度界面相关的基础问题研究。因具有挥发性低、热稳定性好、不可燃和工作电压高等优点，作为储能装置（如超级电容器和电池）、场效应晶体管、电润湿技术和电化学传感器等所需的电解质，离子液体正受到越来越多研究者的关注和重视。然而，因其吸水性，离子液体中的水总是难以被彻底除去。早在2014年，为了探究离子液体易吸水带来的影响，我们利用分子模拟计算预测出（ACS Nano, 2014, 8, 11685），在形成电极-离子液体双电层固液界面的过程中，离子液体中的水将会富集在电极表面上，这将致使器件/设备的工作电压变小。该理论预测得到了许多国内外其他课题组的实验与模拟工作的证实。随后，我们的模拟和实验研究表明(Nature Communications, 2018, 9, 5222)，采用亲水性离子液体可以有效避免受潮离子液体中的水吸附在负电极表面上，从而可以避免工作电压的降低；而疏水离子液体中的水将会富集在电极表面上，而使电解质的工作电压降低，最终导致器件/设备的工作性能降低。因此，如何减小疏水离子液体中含水的负面影响，成为了离子液体电解质应用领域内亟需解决的核心问题之一，也是我们团队的研究方向之一。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：在当前利用分子模拟研究微观界面的工作中，绝大多数研究者采用以电极表面均匀分布电荷的方法来模拟实际电极表面上的施加电压。而在本项目中，我们在分子模拟中开发了能在电极壁面上实现与实际情况符合的等电势模拟方法。

而且，在该项目中，寻找合适的添加剂来避免水吸附在电极表面是一个重大的挑战。在这个过程中，我们团队借鉴“水溶盐”电解质的研究思路，通过添加锂盐有效避免含水离子液体中的水吸附在电极表面上，又降低了电极吸附水的反应活性；此外，这项研究属于交叉学科的研究，其中需要不少电化学方面的背景知识。我们团队与厦门大学毛秉伟-颜佳伟教授团队合作，弥补了我们在电化学实验方面的不足。

另一方面，该项研究投稿正值疫情期间。在此，谨代表该论文的所有研究人员向广大医护工作者表示最诚挚的问候和衷心的感谢。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：该工作基于纳米尺度界面与能质传递的基础研究，以储能器件中的电极-电解质固液界面为研究对象，探究了添加锂盐对疏水离子液体在电极表面上吸附水的影响规律及其作用机理。这一研究结果，加上前期有关亲水离子液体的工作(Nature Communications, 2018, 9, 5222)，解决了离子液体因吸水而降低电压的难题。我们相信，该项研究不但给离子液体超级电容器储能技术的研究与开发提供了新思路、新方案，而且还有利于含水离子液体在其他领域内的应用（如具有高浓度盐溶液的电池、场效应晶体管、电润湿技术和电化学传感器等），并将对相关领域的发展起到一定的推动作用。