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：中國科學院物理研究所、香港中文大學、中國科學院過程工程研究所

論文速覽

通過選擇合適的H₂O-溶質系統，來設計防凍電解液對于低溫水系電池（LTABs）至關重要。然而，缺乏基于決定性溫度限制因素的有效指南來選擇H₂O-溶質系統，阻礙了LTABs的發展。

在此，中國科學院物理研究所胡勇勝和陸雅翔、香港中文大學盧怡君、中國科學院過程工程研究所趙君梅等人員，確定了兩個決定性因素：熱力學共晶溫度（T_e）和動力學玻璃化轉變溫度（T_g），并且只有當H₂O-溶質系統具有很強的過冷能力時，T_g才適用于LTABs。

研究者提出了一種通用策略，通過引入具有高離子勢陽離子（例如Al³⁺、Ca²⁺）的輔助鹽或具有高供體數（例如，乙二醇）的共溶劑來創建多溶質系統，從而實現低Te和強過冷能力電解液。

作為Na基系統的演示，設計了具有超低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80 Wh kg^-1和5000個循環以及在-85°C時12.5 Wh kg^-1的。這項工作為極低溫度應用的抗凍電解液設計提供了有效的指南。

圖文導讀

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

圖2：設計低T_e和強過冷能力水系電解液的方法，包括不同H₂O-鹽系統中陽離子的離子勢與過冷能力屬性的關系，以及H₂O-溶劑系統中溶劑供體數與過冷能力屬性的關系。

圖3：設計的電解液中低T_e機制的拉曼光譜、平均氫鍵數目以及不同結構中O_W原子周圍的配位物種和數目。

圖4：設計的電解液中過冷能力機制的平均平方位移、計算的平均結合能以及典型的局部結構。

圖5：電解液中電池性能的測試結果，包括放電曲線、倍率性能和循環穩定性。

總結展望

本研究識別了H₂O-溶質系統中的兩個液態到固態低溫限制（T_e和T_g），并強調了為極低溫度應用設計低T_e和強過冷能力H₂O-溶質系統的重要性。通過引入具有高離子勢的輔助鹽或高供體數的共溶劑來創建多溶質系統，實現了低T_e和強過冷能力電解液的通用策略。

以Na基系統為例，設計的電解液展現了超低的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時達到80 Wh kg^-1的能量密度，并在8 C下保持超過5000個循環的70%容量保持率，以及在-60°C和0.05 C下達到63 Wh kg^-1的能量密度。

此外，NaFeMnHCF/Na–H₂O–Ca/PTCDI全電池在25°C時達到65.7 Wh kg^-1的能量密度，在4 C下保持超過250個循環的91.1%容量保持率，在-80°C和0.1 C下達到20 Wh kg^-1的能量密度，以及在-85°C和0.1 C下達到12.5 Wh kg^-1的能量密度。

文獻信息

標題：Rational design of anti-freezing electrolytes for extremely low-temperature aqueous batteries

期刊：Nature Energy

DOI：10.1038/s41560-024-01527-5