新型氢键锚定电解质显现，可低成本开发高能量密度水系电池
发布时间：2022-01-20 18:27:58 所属栏目：移动互联 来源：互联网
导读：在大规模电力运输中，水性锂离子电池因其固有的安全性、低成本和经济性而受到广泛关注。 近日，来自香港中文大学的研究团队开发了一种新型氢键锚定电解质，其使用低成本的环丁砜作为氢键受体，不仅能够限制自由水的活性，且可以抑制析氢反应，为稳定高压水性
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在大规模电力运输中，水性锂离子电池因其固有的安全性、低成本和经济性而受到广泛关注。 近日，来自香港中文大学的研究团队开发了一种新型氢键锚定电解质，其使用低成本的环丁砜作为氢键受体，不仅能够限制自由水的活性，且可以抑制析氢反应，为稳定高压水性锂离子电池提供了一种合理有效的开发策略。 “这款氢键锚定电解质盐的浓度为 3.6m/kg，相比高浓盐的电解质，其生产成本得到极大的降低。”香港中文大学王余博士表示。 凭借高能量密度和稳定循环寿命的特性，非水性锂离子电池一直在小型消费电子和大型电力运输的储能装置市场上占据关键地位。 需要注意的是，过多地使用这类易燃有机电解质会带来一定的安全隐患。而将水作为电解质不仅安全、成本低，还具备可负担性，被视为是一种很有前景的策略。 由于水的分解反应，传统水电解质的电压窗口较窄，水性锂离子电池的能量密度被限制，这进一步影响到高能量密度电极材料的选择。 此外， 与负极水还原相关的电催化剂析氢反应（HER）也是水性锂离子电池要面临的挑战之一，该反应通常发生在大多数能量密集型负极的操作电位之上。 一种是利用高浓度氟化锂盐，包括双（三氟甲烷）磺酰亚胺锂（LiTFSI）、双（五氟乙烷磺酰）亚胺锂（LiBETI）、三氟甲烷磺酸锂（LiOTf）和三氟甲烷磺酰亚胺锂（LiPTFSI）等。 在此策略下，电压窗口将从两方面得到显著改善。一方面，通过 Li+ 溶解使电解液中的游离水最小化；另一方面，在阳极表面形成了一个阴离子衍生的固体电解质界面（SEI）。 由于高浓度氟化锂盐存在成本和潜在毒性的问题，研究人员们试图采用其他基于锂盐的水电解质来取代含氟富盐电解质，如 32m KAc–8m LiAc 和“离子水凝胶”（50%LiPAA–50%H2O）。 然而，由于缺乏可靠的 SEI，基于这些电解质所研发电池的稳定性和循环寿命并不理想。 另一种策略是限制自由水的活性。研究人员们以聚乙二醇（PEG）为拥挤剂，在低盐浓度下制备了电压窗口为 3.2V 的稀分子拥挤电解质，该电解质可支持 Li4Ti5O12（LTO）/LiMn2O4（LMO）全电池在 1C 下循环 300 次。 自由水通过与 PEG 形成氢键被限制在 PEG 网络中，从而显著降低了自身的活性。但是，PEG 的长链会大大限制电解质的导电性。 而此次该团队设计的氢键锚定电解质，成功克服了上述两种策略所存在的问题。 据了解，这款氢键锚定电解质既可以显著抑制析氢反应，又以 3.4V 的电压窗口形成了层次分明的阳极电解质界面。 由此，该团队带来了具有稳定长循环寿命和极高库仑效率的水性 Li4Ti5O12/LiMn2O4 全电池。 论文中提到，“该电池在 1C 下 300 次循环达到 141 W h/kg 的能量密度，在 5C 下 1000 次循环达到 125Wh/kg 的能量密度，库仑效率高达 99.5%–99.9%。” 根据在线电化学质谱，循环时氢/氧气体的释放可以忽略不计，进一步证实了该团队所设计电解质的稳定性。 此外，与“分子拥挤型电解质”PEG 相比，该团队设计的氢键锚定电解质具有更高的电导率。 （编辑：厦门网） 【声明】本站内容均来自网络，其相关言论仅代表作者个人观点，不代表本站立场。若无意侵犯到您的权利，请及时与联系站长删除相关内容! |
