Adv. Mater.:基于双超疏膜建立的混合电解质体系实现高压水系锂金属电池

面对全球化石能源危机，对可持续能源存储的需求不断增加，促使研究人员专注于开发二次充电电池。随着大型锂离子电池逐渐应用于重型电动汽车和电网的能源系统，其安全性受到严格监控。经过仔细分析，锂离子电池火灾/爆炸事故的内在原因可归因于当中易燃/有毒有机电解质和高压正极材料的不兼容。在长期研究中，研究人员意识到，水作为一种天然产物，由于其不燃性、高介电常数、高偶极矩可能是电解质的最佳溶剂系统。然而，水的电化学稳定性窗口狭窄，严重阻碍了其应用。在之前的研究中，尽管研究人员可以修改阳极的界面以拓宽盐包水（WiS）电解质的应用，但任何在WiS中运行石墨或锂金属的尝试都以失败告终，严重的副作用（析氢反应）不能简单地通过增加盐浓度来解决。因此，水性锂离子电池的能量密度在很长一段时间内总是低于200 Wh/kg（基于电极总重量，<100 Wh/kg），这不太可能大规模使用。由于电极和水性电解质之间的不相容性，高压水性锂金属电池（HVALMB）在我们的传统认知中似乎是一个无法实现的目标。

近日，王琪菲博士后作为第一作者，在吉林大学于吉红院士、厦门大学乔羽教授、南京大学周豪慎教授联合执指导下，在Adv. Mater.上发表了题为“Hybrid-Electrolytes System Established by Dual Super-lyophobic Membrane Enabling High-Voltage Aqueous Lithium Metal Batteries.”的文章，采用一种巧妙的混合电解质策略，在“高压水系锂金属电池”方面取得了重大进展。文章采用浓缩的三元醚基电解质（CTE）作为负极侧电解液，确保了锂金属负极沉积/剥离的稳定性与可逆性。与此同时，正极电解液采用环保/不可燃的盐包水（WiS），以支持高压正极的稳定运行。需要指出的是，由于引入了液下双超疏膜，可以实现最有效的不混溶电解质的分离。因此水系正极液和非水系负极液可以在独立的腔室中相互隔离，不会产生任何串扰，可以完全阻止水系正极液向锂负极渗透，而不会产生锂金属的质子诱导腐蚀。基于此，水系电解质可以成功地与锂金属负极耦合，实现高压水系锂金属电池，经过实验证明，该类电池具有优异的电化学性能，所构筑的LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂|| Li（有限负极）电池在循环300圈后容量保持率达81.0%，并具有超高比能量密度（682 Wh/kg）。

图1.在混合电解质系统中引入液下双超疏膜。

如图1a所示，新型混合电解质电池的结构示意图是通过使用双超疏膜（CTFPNM）实现的。图1b显示了双超疏膜在混合电解质系统中的分离特性。在负极侧，采用浓三元醚基（CTE）电解质，以确保对锂金属的安全性和稳定性。将负极附近的膜注入疏水性离子液体（Pyr13TFSI）中，可以防止水分子迁移到负极侧（Li）。在正极侧，利用高浓度的水系电解质（WiS）来支持高压正极的稳定运行，在正极附近的膜注入亲水性离子液体（NmimTFSI），该液体可以排斥醚基电解质，但确保对WiS的润湿性。这种双超疏液分离膜可以实现离子传导的前提下实现物质分离。负极和正极侧的电极反应可以在它们自己独立电解质系统中正常进行。

本文通过巧妙地引入液下双超疏膜，成功实现了高压水系锂金属电池。该系统不仅展示出优异的循环稳定性，而且在有限锂条件下，电池的的比能量密度可以达到超高的682 Wh/kg，远超当前市场上的电池的比能量密度。混合电解液的设计策略不仅为高压水系锂金属电池的开发提供了新的思路，也为其他高能量密度电池系统，如有机电极可充电电池和锂硫电池，提供了参考。未来，这种设计策略有望推动新一代高安全性/具有商业化潜力的二次可充电电池的发展。

【文章链接】

Q. Wang, C. Wang, Y. Qiao, H. Zhou, J. Yu, Hybrid-Electrolytes System Established by Dual Super-lyophobic Membrane Enabling High-Voltage Aqueous Lithium Metal Batteries.Adv. Mater.2024, 2401486.

文献链接：https://doi.org/10.1002/adma.202401486

第一作者：王琪菲（导师：于吉红教授）