第一作者：Liwei Jiang、Shuai Han、Yuan-Chao Hu.

通訊作者：胡勇勝、陸雅翔、盧怡君、趙君梅

通訊單位：中國(guó)科學(xué)院物理研究所、香港中文大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所

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通過(guò)選擇合適的H₂O-溶質(zhì)系統(tǒng)，來(lái)設(shè)計(jì)防凍電解液對(duì)于低溫水系電池（LTABs）至關(guān)重要。然而，缺乏基于決定性溫度限制因素的有效指南來(lái)選擇H₂O-溶質(zhì)系統(tǒng)，阻礙了LTABs的發(fā)展。

在此，中國(guó)科學(xué)院物理研究所胡勇勝和陸雅翔、香港中文大學(xué)盧怡君、中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所趙君梅等人員，確定了兩個(gè)決定性因素：熱力學(xué)共晶溫度（T_e）和動(dòng)力學(xué)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（T_g），并且只有當(dāng)H₂O-溶質(zhì)系統(tǒng)具有很強(qiáng)的過(guò)冷能力時(shí)，T_g才適用于LTABs。

研究者提出了一種通用策略，通過(guò)引入具有高離子勢(shì)陽(yáng)離子（例如Al³⁺、Ca²⁺）的輔助鹽或具有高供體數(shù)（例如，乙二醇）的共溶劑來(lái)創(chuàng)建多溶質(zhì)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)低Te和強(qiáng)過(guò)冷能力電解液。

作為Na基系統(tǒng)的演示，設(shè)計(jì)了具有超低T_e（-53.5至-72.6°C）和Tg（-86.1至-117.1°C）的電解液，展示了電池性能，包括在25°C時(shí)80 Wh kg^-1和5000個(gè)循環(huán)以及在-85°C時(shí)12.5 Wh kg^-1的。這項(xiàng)工作為極低溫度應(yīng)用的抗凍電解液設(shè)計(jì)提供了有效的指南。

圖文導(dǎo)讀

圖1：冷卻過(guò)程中H₂O-溶質(zhì)系統(tǒng)中稀溶液的演化示意圖以及傳統(tǒng)策略和本文提出策略之間的差異。

圖2：設(shè)計(jì)低T_e和強(qiáng)過(guò)冷能力水系電解液的方法，包括不同H₂O-鹽系統(tǒng)中陽(yáng)離子的離子勢(shì)與過(guò)冷能力屬性的關(guān)系，以及H₂O-溶劑系統(tǒng)中溶劑供體數(shù)與過(guò)冷能力屬性的關(guān)系。

圖3：設(shè)計(jì)的電解液中低T_e機(jī)制的拉曼光譜、平均氫鍵數(shù)目以及不同結(jié)構(gòu)中O_W原子周圍的配位物種和數(shù)目。

圖4：設(shè)計(jì)的電解液中過(guò)冷能力機(jī)制的平均平方位移、計(jì)算的平均結(jié)合能以及典型的局部結(jié)構(gòu)。

圖5：電解液中電池性能的測(cè)試結(jié)果，包括放電曲線、倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。

總結(jié)展望

本研究識(shí)別了H₂O-溶質(zhì)系統(tǒng)中的兩個(gè)液態(tài)到固態(tài)低溫限制（T_e和T_g），并強(qiáng)調(diào)了為極低溫度應(yīng)用設(shè)計(jì)低T_e和強(qiáng)過(guò)冷能力H₂O-溶質(zhì)系統(tǒng)的重要性。通過(guò)引入具有高離子勢(shì)的輔助鹽或高供體數(shù)的共溶劑來(lái)創(chuàng)建多溶質(zhì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了低T_e和強(qiáng)過(guò)冷能力電解液的通用策略。

以Na基系統(tǒng)為例，設(shè)計(jì)的電解液展現(xiàn)了超低的T_e（-53.5至-72.6°C）和T_g（-86.1至-117.1°C），使得NaFeMnHCF/Na–H₂O–EG/NaTi₂(PO₄)₃全電池在25°C時(shí)達(dá)到80 Wh kg^-1的能量密度，并在8 C下保持超過(guò)5000個(gè)循環(huán)的70%容量保持率，以及在-60°C和0.05 C下達(dá)到63 Wh kg^-1的能量密度。

此外，NaFeMnHCF/Na–H₂O–Ca/PTCDI全電池在25°C時(shí)達(dá)到65.7 Wh kg^-1的能量密度，在4 C下保持超過(guò)250個(gè)循環(huán)的91.1%容量保持率，在-80°C和0.1 C下達(dá)到20 Wh kg^-1的能量密度，以及在-85°C和0.1 C下達(dá)到12.5 Wh kg^-1的能量密度。

文獻(xiàn)信息

標(biāo)題：Rational design of anti-freezing electrolytes for extremely low-temperature aqueous batteries

期刊：Nature Energy

DOI：10.1038/s41560-024-01527-5