在大規模電力運輸中，水性鋰離子電池因其固有的安全性、低成本和經濟性而受到廣泛關注。
近日，來自香港中文大學的研究團隊開發了一種新型氫鍵錨定電解質，其使用低成本的環丁碸作為氫鍵受體，不僅能夠限制自由水的活性，且可以抑制析氫反應，為穩定高壓水性鋰離子電池提供了一種合理有效的開發策略。
“這款氫鍵錨定電解質鹽的濃度為 3。6m/kg，相比高濃鹽的電解質，其生產成本得到極大的降低。”香港中文大學王餘博士表示。
2021 年 11 月 10 日，相關研究論文以《使用氫鍵錨定電解質實現高能量密度水系電池》（Enabling high-energy-density aqueous batteries with hydrogen bond-anchored electrolytes）為題發表在Matter上，王餘博士擔任第一作者，通訊作者是香港中文大學盧怡君教授［1］。
圖 | 相關研究論文（來源：Matter）
憑藉高能量密度和穩定迴圈壽命的特性，非水性鋰離子電池一直在小型消費電子和大型電力運輸的儲能裝置市場上佔據關鍵地位。
需要注意的是，過多地使用這類易燃有機電解質會帶來一定的安全隱患。而將水作為電解質不僅安全、成本低，還具備可負擔性，被視為是一種很有前景的策略。
由於水的分解反應，傳統水電解質的電壓視窗較窄，水性鋰離子電池的能量密度被限制，這進一步影響到高能量密度電極材料的選擇。
此外， 與負極水還原相關的電催化劑析氫反應（HER）也是水性鋰離子電池要面臨的挑戰之一，該反應通常發生在大多數能量密集型負極的操作電位之上。
因此，對於水性鋰離子電池來說，要想具有高能量密度，降低水電解質的電位並拓寬其電壓視窗是重中之重。
此前，為解決這些問題，研究人員們提出以下兩種策略。
圖 | 水性鋰離子電池面臨的問題示意圖（來源：Matter）
一種是利用高濃度氟化鋰鹽，包括雙（三氟甲烷）磺醯亞胺鋰（LiTFSI）、雙（五氟乙烷磺醯）亞胺鋰（LiBETI）、三氟甲烷磺酸鋰（LiOTf）和三氟甲烷磺醯亞胺鋰（LiPTFSI）等。
在此策略下，電壓視窗將從兩方面得到顯著改善。一方面，透過 Li+ 溶解使電解液中的遊離水最小化；另一方面，在陽極表面形成了一個陰離子衍生的固體電解質介面（SEI）。
由於高濃度氟化鋰鹽存在成本和潛在毒性的問題，研究人員們試圖採用其他基於鋰鹽的水電解質來取代含氟富鹽電解質，如 32m KAc–8m LiAc 和“離子水凝膠”（50%LiPAA–50%H2O）。
然而，由於缺乏可靠的 SEI，基於這些電解質所研發電池的穩定性和迴圈壽命並不理想。
另一種策略是限制自由水的活性。研究人員們以聚乙二醇（PEG）為擁擠劑，在低鹽濃度下製備了電壓視窗為 3。2V 的稀分子擁擠電解質，該電解質可支援 Li4Ti5O12（LTO）/LiMn2O4（LMO）全電池在 1C 下迴圈 300 次。
自由水透過與 PEG 形成氫鍵被限制在 PEG 網路中，從而顯著降低了自身的活性。但是，PEG 的長鏈會大大限制電解質的導電性。
而此次該團隊設計的氫鍵錨定電解質，成功克服了上述兩種策略所存在的問題。
據瞭解，這款氫鍵錨定電解質既可以顯著抑制析氫反應，又以 3。4V 的電壓視窗形成了層次分明的陽極電解質介面。
由此，該團隊帶來了具有穩定長迴圈壽命和極高庫侖效率的水性 Li4Ti5O12/LiMn2O4 全電池。
論文中提到，“該電池在 1C 下 300 次迴圈達到 141 W h/kg 的能量密度，在 5C 下 1000 次迴圈達到 125Wh/kg 的能量密度，庫侖效率高達 99。5%–99。9%。”
圖 | 氫鍵錨定型電解質的結構及其與SEI形成過程的關係（來源：Matter）
根據線上電化學質譜，迴圈時氫/氧氣體的釋放可以忽略不計，進一步證實了該團隊所設計電解質的穩定性。
此外，與“分子擁擠型電解質”PEG 相比，該團隊設計的氫鍵錨定電解質具有更高的電導率。
王餘博士稱，該氫鍵錨定型電解質的電導率達到 2。5mS/cm，是分子擁擠型電解質的三倍左右。在此電導率下，水性鋰離子電池可實現快充快放的優越效能，能夠在 12 分鐘內完成充電。
值得一提的是，這種氫鍵錨定電解質為設計高能量密度水性鋰離子電池提供了一種通用策略。
此外，該策略證實，在氫鍵間的相互作用下，研究人員可嘗試以熱力學和動力學的角度來調節帶電介面的水反應性，這為水電解質設計和水分解制氫的研究帶來了新思路。
未來，該團隊將進一步降低這款氫鍵錨定電解質的熔點，以提升其低溫效能。例如，向電解質中加入熔點更低的共溶劑、調整鹽類濃度等。
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參考：
1。Yu Wang et al。 ”Enabling high-energy-density aqueous batteries with hydrogen bond-anchored electrolytes。“Matter（2021）
https：//doi。org/10。1016/j。matt。2021。10。021
