在大规模电力运输中，水性锂离子电池因其固有的安全性、低成本和经济性而受到广泛关注。
近日，来自香港中文大学的研究团队开发了一种新型氢键锚定电解质，其使用低成本的环丁砜作为氢键受体，不仅能够限制自由水的活性，且可以抑制析氢反应，为稳定高压水性锂离子电池提供了一种合理有效的开发策略。
“这款氢键锚定电解质盐的浓度为 3.6m/kg，相比高浓盐的电解质，其生产成本得到极大的降低。”香港中文大学王余博士表示。
2021 年 11 月 10 日，相关研究论文以《使用氢键锚定电解质实现高能量密度水系电池》（Enabling high-energy-density aqueous batteries with hydrogen bond-anchored electrolytes）为题发表在 Matter 上，王余博士担任第一作者，通讯作者是香港中文大学卢怡君教授[1]。
凭借高能量密度和稳定循环寿命的特性，非水性锂离子电池一直在小型消费电子和大型电力运输的储能装置市场上占据关键地位。
需要注意的是，过多地使用这类易燃有机电解质会带来一定的安全隐患。而将水作为电解质不仅安全、成本低，还具备可负担性，被视为是一种很有前景的策略。
由于水的分解反应，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限制，这进一步影响到高能量密度电极材料的选择。
此外， 与负极水还原相关的电催化剂析氢反应（HER）也是水性锂离子电池要面临的挑战之一，该反应通常发生在大多数能量密集型负极的操作电位之上。
因此，对于水性锂离子电池来说，要想具有高能量密度，降低水电解质的电位并拓宽其电压窗口是重中之重。
此前，为解决这些问题，研究人员们提出以下两种策略。
图 | 水性锂离子电池面临的问题示意图（来源：Matter）
一种是利用高浓度氟化锂盐，包括双（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。
在此策略下，电压窗口将从两方面得到显著改善。一方面，通过 Li+ 溶解使电解液中的游离水最小化；另一方面，在阳极表面形成了一个阴离子衍生的固体电解质界面（SEI）。
由于高浓度氟化锂盐存在成本和潜在毒性的问题，研究人员们试图采用其他基于锂盐的水电解质来取代含氟富盐电解质，如 32m KAc–8m LiAc 和“离子水凝胶”（50%LiPAA–50%H2O）。
然而，由于缺乏可靠的 SEI，基于这些电解质所研发电池的稳定性和循环寿命并不理想。
另一种策略是限制自由水的活性。研究人员们以聚乙二醇（PEG）为拥挤剂，在低盐浓度下制备了电压窗口为 3.2V 的稀分子拥挤电解质，该电解质可支持 Li4Ti5O12（LTO）/LiMn2O4（LMO）全电池在 1C 下循环 300 次。
自由水通过与 PEG 形成氢键被限制在 PEG 网络中，从而显著降低了自身的活性。但是，PEG 的长链会大大限制电解质的导电性。
而此次该团队设计的氢键锚定电解质，成功克服了上述两种策略所存在的问题。
据了解，这款氢键锚定电解质既可以显著抑制析氢反应，又以 3.4V 的电压窗口形成了层次分明的阳极电解质界面。
由此，该团队带来了具有稳定长循环寿命和极高库仑效率的水性 Li4Ti5O12/LiMn2O4 全电池。
论文中提到，“该电池在 1C 下 300 次循环达到 141 W h/kg 的能量密度，在 5C 下 1000 次循环达到 125Wh/kg 的能量密度，库仑效率高达 99.5%–99.9%。”
图 | 氢键锚定型电解质的结构及其与SEI形成过程的关系（来源：Matter）
根据在线电化学质谱，循环时氢/氧气体的释放可以忽略不计，进一步证实了该团队所设计电解质的稳定性。
此外，与“分子拥挤型电解质”PEG 相比，该团队设计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达到 2.5mS/cm，是分子拥挤型电解质的三倍左右。在此电导率下，水性锂离子电池可实现快充快放的优越性能，能够在 12 分钟内完成充电。
值得一提的是，这种氢键锚定电解质为设计高能量密度水性锂离子电池提供了一种通用策略。
此外，该策略证实，在氢键间的相互作用下，研究人员可尝试以热力学和动力学的角度来调节带电界面的水反应性，这为水电解质设计和水分解制氢的研究带来了新思路。
未来，该团队将进一步降低这款氢键锚定电解质的熔点，以提升其低温性能。例如，向电解质中加入熔点更低的共溶剂、调整盐类浓度等。
