深圳储能12分钟充满电！新式氢键锚定电解质呈现！

在大规模电力运送中，水性锂离子电池因其固有的安全性、低本钱和经济性而遭到广泛重视。

近来，来自香港中文大学的研讨团队开发了一种新式氢键锚定电解质，其运用低本钱的环丁砜作为氢键受体，不只可以约束自在水的活性，且可以按捺析氢反响，为安稳高压水性锂离子电池供给了一种合理有用的开发战略。

“这款氢键锚定电解质盐的浓度为 3.6m/kg，比较高浓盐的电解质，其生产本钱得到极大的下降。”香港中文大学王余博士表明。

2021 年 11 月 10 日，相关研讨论文以《运用氢键锚定电解质完结高能量密度水系电池》（Enabling high-energy-density aqueous batteries with hydrogen bond-anchored electrolytes）为题宣布在 Matter 上，王余博士担任榜首作者，通讯作者是香港中文大学卢怡君教授[1]。

凭仗高能量密度和安稳循环寿数的特性，非水性锂离子电池一直在小型消费电子和大型电力运送的储能设备市场上占有要害位置。

需求留意的是，过多地运用这类易燃有机电解质会带来必定的安全隐患。而将水作为电解质不只安全、本钱低，还具有可担负性，被视为是一种很有远景的战略。

因为水的分化反响，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约束，这进一步影响到高能量密度电极资料的挑选。

此外， 与负极水复原相关的电催化剂析氢反响（HER）也是水性锂离子电池要面对的应战之一，该反响一般发生在大多数能量密集型负极的操作电位之上。

因而，关于水性锂离子电池来说，要想具有高能量密度，下降水电解质的电位并拓展其电压窗口是重中之重。

此前，为处理这些问题，研讨人员们提出以下两种战略。

图 | 水性锂离子电池面对的问题示意图（来历：Matter）

一种是使用高浓度氟化锂盐，包含双（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。

在此战略下，电压窗口将从两方面得到明显改进。一方面，经过 Li+ 溶解使电解液中的游离水最小化；另一方面，在阳极外表构成了一个阴离子衍生的固体电解质界面（SEI）。

因为高浓度氟化锂盐存在本钱和潜在毒性的问题，研讨人员们企图选用其他依据锂盐的水电解质来替代含氟富盐电解质，如 32m KAc–8m LiAc 和“离子水凝胶”（50%LiPAA–50%H2O）。

可是，因为缺少牢靠的 SEI，依据这些电解质所研制电池的安稳性和循环寿数并不抱负。

另一种战略是约束自在水的活性。研讨人员们以聚乙二醇（PEG）为拥堵剂，在低盐浓度下制备了电压窗口为 3.2V 的稀分子拥堵电解质，该电解质可支撑 Li4Ti5O12（LTO）/LiMn2O4（LMO）全电池在 1C 下循环 300 次。

自在水经过与 PEG 构成氢键被约束在 PEG 网络中，然后明显下降了本身的活性。可是，PEG 的长链会大大约束电解质的导电性。

而此次该团队规划的氢键锚定电解质，成功克服了上述两种战略所存在的问题。

据了解，这款氢键锚定电解质既可以明显按捺析氢反响，又以 3.4V 的电压窗口构成了层次分明的阳极电解质界面。

由此，该团队带来了具有安稳长循环寿数和极高库仑功率的水性 Li4Ti5O12/LiMn2O4 全电池。

论文中说到，“该电池在 1C 下 300 次循环到达 141 W h/kg 的能量密度，在 5C 下 1000 次循环到达 125Wh/kg 的能量密度，库仑功率高达 99.5%–99.9%。”

图 | 氢键锚定型电解质的结构及其与SEI构成进程的联系（来历：Matter）

依据在线电化学质谱，循环时氢/氧气体的开释可以忽略不计，进一步证明了该团队所规划电解质的安稳性。

此外，与“分子拥堵型电解质”PEG 比较，该团队规划的氢键锚定电解质具有更高的电导率。

王余博士称，该氢键锚定型电解质的电导率到达 2.5mS/cm，是分子拥堵型电解质的三倍左右。在此电导率下，水性锂离子电池可完结快充快放的优胜功能，可以在 12 分钟内完结充电。

值得一提的是，这种氢键锚定电解质为规划高能量密度水性锂离子电池供给了一种通用战略。

此外，该战略证明，在氢键间的相互作用下，研讨人员可尝试以热力学和动力学的视点来调理带电界面的水反响性，这为水电解质规划和水分化制氢的研讨带来了新思路。

未来，该团队将进一步下降这款氢键锚定电解质的熔点，以提高其低温功能。例如，向电解质中参加熔点更低的共溶剂、调整盐类浓度等。