香港中文大学研发出“分子拥挤”水系电解质

近日，香港中文大学卢怡君等人开发了一种“分子拥挤”水系电解质，该电解质具有宽电压窗口，有利于实现安全、高能量密度、可持续发展的水系锂离子电池。相关成果发表于近期的《Nature Materials》期刊上。

在水系锂离子电池的研究中，使用高盐浓度的水电解质，即“盐包水电解质”（WiSE）被认为是扩展水系锂离子电池电压窗口的有效方法，但这种方法成本高，且引起人们对水系电池毒性的关注，鉴于此，研究人员受“分子拥挤”现象启发，设计了这种新型水系电解质。

“分子拥挤”普遍存在于各种类型的细胞中，在活细胞中，分子拥挤现象可改变氢键结构，改变细胞中溶质分子的活性系数，也基本上抑制了水的活性。利用这一原理，研究人员使用与水混溶的聚合物聚乙二醇作为拥挤剂来降低水分子活性，当溶剂中含有低含量（2 mol kg^-1）的双（三氟甲烷）磺酰亚胺锂盐（LiTFSi），就能够彻底的抑制水分解，从而实现了较宽的电解质工作范围（3.2 V）。

研究人员基于此水系电解质、以LiMn₂O₄为正极、Li₄Ti₅O₁₂为负极组装了水系全电池Li₄Ti₅O₁₂/LiMn₂O₄，并使用CV测试了其可逆的电化学行为。在线电化学质谱结果表明，在L-LTO/LMO全电池中分子拥挤水系电解质避免了水的分解。全电池的充放电曲线和电化学稳定性测试表明，该全电池在1C的倍率下可实现110 Wh·kg^-1的初始能量密度和300圈后保持75 Wh·kg^-1的能量密度，并且可以在充放电过程中保持高库仑效率。

这项研究，为设计一种低成本、环境友好且具有宽电压窗口的水系电解质提供了思路。

参考文献：Jing Xie, Zhuojian Liang,Yi-Chun Lu,Molecular crowding electrolytes for high-voltage aqueous batteries,Nature Materials,DOI:10.1038/s41563-020-0667-y