“局部盐包水”电解质助力水系锂离子电池

目前商用二次锂离子电池使用的非水电解液广泛使用有毒且易燃的有机溶剂，造成电池失火、爆炸和有害物质泄漏等安全隐患。而采用水为溶剂的水系锂离子可以在提高安全性的同时降低生产成本，减少环境污染。然而，传统水系锂离子电池的电解质很难与高比能量的电极材料相匹配（电化学窗口过窄，< 2 V），大大限制了其应用。相较于浓度约为1 mol L^-1的传统水系电解质，自2015年以来报道的一系列超高盐浓度“盐包水”电解质浓度可达30 mol kg^-1，有效地抑制了水分子的电分解，极大地扩宽了水系电解质的电化学窗口。然而，“盐包水”体系也带来了新的挑战，如锂盐浓度高、成本高、粘度大、浸润性差及有机锂盐对环境有害等。

有鉴于此，澳大利亚悉尼科技大学周栋博士（点击查看介绍）、汪国秀 (Wang Guoxiu) 教授（点击查看介绍）和美国马里兰大学王春生 (Wang Chunsheng) 教授（点击查看介绍）（共同通讯）合作，首次提出了“局部盐包水”概念作为解决策略。在“局部盐包水”设计中，一种溶解水但不溶解无机锂盐的惰性溶剂被用于稀释“盐包水”电解质，以降低锂盐浓度；同时由于有机锂盐有毒且价格昂贵，该策略改用廉价且环保的无机锂盐。

图1. 不同水系电解质的电化学窗口和相应的溶剂化结构示意图。

作者将廉价的硝酸锂作为锂盐，1,5-戊二醇作为稀释剂，证明了“局部盐包水”概念的可行性。在高浓硝酸锂的水溶液中加入1,5-戊二醇不仅没有改变“盐包水”电解质的溶剂化结构，同时由于1,5-戊二醇和水分子以及硝酸根离子间会形成分子间氢键，溶剂分子水的氧化/还原分解活性得到有效抑制。因此，在这种“局部盐包水”概念指导下设计制备的水系电解质不仅明显地降低了锂盐的浓度和电解质的粘度，改善了电解质对电极的浸润性，同时更显著地提高了电解质电化学稳定性以支持高比能量的电极材料，提高水系锂离子电池的能量密度。在此基础上，在“局部盐包水”电解质引入聚合四甘醇二丙烯酸酯单体并加热原位聚合后，所制备的水系锂离子电池凝胶电解质的电化学窗口可进一步提升至3.0 V，同时避免了燃烧、液体泄漏等风险。

图2. 使用“局部盐包水”凝胶电解质的Mo₆S₈|| LiMn₂O₄全电池的电化学性能。

作者将该电解质应用于Mo₆S₈|| LiMn₂O₄全电池。在1 C下进行恒流充放电可稳定循环超过250次，具有98.53 %的库仑效率。因此，这种全新的“局部盐包水”概念有助于在今后设计开发出具有低成本、高安全性和高能量密度的水系锂离子电池，同时在其他二次水系电池（如钠、钾、锌、镁等碱金属或多价金属离子基电池）中也同样具有应用潜力，为发展大规模储能技术提供技术指导。该研究论文发表在近期Angew. Chem. Int. Ed. 上。

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“Localized Water-In-Salt” Electrolyte for Aqueous Lithium-Ion Batteries

Pauline Jaumaux, Xu Yang, Bao Zhang, Javad Safaei, Xiao Tang, Dong Zhou*, Chunsheng Wang*, Guoxiu Wang*

Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/anie.202107389

通讯作者简介

汪国秀教授：澳大利亚悉尼科技大学（UTS）杰出教授，清洁能源技术中心（CCET）主任。材料化学，电化学，能量存储和转换以及电池技术领域专家。目前担任《Electrochemical Energy Reviews》（Springer-Nature）的副编辑，以及《Scientific Reports》（Nature Publishing Group）和《Energy Storage Materials》（Elsevier）的编委会成员。研究领域包括锂离子电池，锂空气电池，钠离子电池，锂硫电池，超级电容器，储氢材料，燃料电池，2D材料（例如石墨烯和MXene）以及用于制氢的电催化。目前已发表520余篇期刊论文，总被引40000余次，h指数为107。于2018, 2019和 2020年被Web of Science / Clarivate Analytics评选为材料科学领域高被引学者。

https://www.x-mol.com/university/faculty/50227 

王春生教授：美国马里兰大学化工与分子生物工程系终身教授，ACS Applied Energy Materials副主编，陆军实验室-马里兰大学（ARL-UMD）极限电池研究中心主任。研究方向集中于新型二次电池与燃料电池。在Science、Nature、Nature Materials、Nature Nanotechnology、Nature Communications等国际顶级期刊已发表高水平SCI文章230余篇。所发表论文被SCI他引20000次以上，H-index为73。2013年获美国马里兰大学the A. James Clark School of  Engineering青年教师杰出研究贡献奖，2015年获马里兰大学创新发明奖。

https://www.x-mol.com/university/faculty/49604 

周栋博士：2017年博士毕业于清华大学，师从康飞宇教授。其后加入澳大利亚悉尼科技大学清洁能源技术中心从事博士后研究，现为日本东京大学理学院项目研究员。研究方向主要为新型二次电池的电解质研究及界面行为分析。目前以第一/通讯作者在Nat. Nanotechnol., Nat. Commun., Chem, Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Nano Lett., ACS Energy Lett.等期刊发表论文30篇，总被引3000余次，2020年获得广东省自然科学一等奖。

https://www.x-mol.com/university/faculty/106799