水系電池具有離子電導(dǎo)率高、安全、成本低、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，是一種很有前途的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置。然而，由于氫和氧的析出，水的窄電化學(xué)穩(wěn)定性窗口（1.23 V）限制了其實(shí)際應(yīng)用。

在此，北京理工大學(xué)陳人杰教授、李月姣副教授及陳楠副研究員等人提出了一種選擇性“氫鍵捕獲”溶劑的通用策略，其中溶劑應(yīng)具有孤對電子以提供氫鍵接收位點(diǎn)并且對水穩(wěn)定。在這一理論的指導(dǎo)下，作者開發(fā)了一種“LiTFSI（TMS）0.5Water”（Li0.5W）電解液（LiTFSI: TMS:水= 1: 0.5: 1），其中使用非水共溶劑TMS作為氫鍵破壞劑來捕獲水分子。

結(jié)合廣泛的非原位/原位表征和分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬，作者發(fā)現(xiàn) TMS的引入導(dǎo)致水原有氫鍵網(wǎng)絡(luò)的破壞，水與TMS之間通過磺酰基氧原子上的孤對電子形成分子間氫鍵，其中TMS的氧原子作為電子供體，水的氫原子作為質(zhì)子供體，從而降低了游離水的活性并有效抑制了析氫和電極溶解。這種簡單的LiT0.5W電解液配方實(shí)現(xiàn)了-85°C的超低凝固點(diǎn)、5.4 V的寬電化學(xué)穩(wěn)定性窗口和-80~60°C的寬溫度適應(yīng)性。

圖1. LiT0.5W電解液的電化學(xué)穩(wěn)定性

作為概念驗(yàn)證，作者基于LiT0.5W電解液組裝了LiNi_0.5Mn_1.5O₄/Li₄Ti₅O₁₂鋰離子全電池。電化學(xué)測試表明，3.15 V全電池在25℃、6 C下可實(shí)現(xiàn)超過300次循環(huán)，初始能量密度高達(dá)136 Wh kg^-1（平均為 43.28 Ah kg^-1和 3.15 V）。

此外，基于該LiT0.5W電解液的全電池在25℃、3 C下初始放電容量為144.3 mAh/g，可運(yùn)行超過150次循環(huán)。即使溫度降至0°C，該全電池仍可在3 C倍率下超過100次循環(huán)后實(shí)現(xiàn)79.3 mAh/g的放電容量。甚至在-60℃下，該電池仍具有近20 mAh/g的放電容量。

總之，這項(xiàng)工作為在高壓和低溫水系電池中開發(fā)“氫鍵捕獲”電解液提供了一種有效的策略，為通過改變熱力學(xué)途徑和通過穩(wěn)定的界面化學(xué)形成有效的動(dòng)力學(xué)屏障來抑制HER提供了有價(jià)值的見解。

圖2. LiNi_0.5Mn_1.5O₄/Li₄Ti₅O₁₂全電池性能

A universal strategy for high-voltage aqueous batteries via lone pair electrons as hydrogen bond-breaker, Energy & Environmental Science 2022. DOI: 10.1039/D2EE00417H