卢怡君ACS Energy Letters：调节分子间相互作用，实现高性能水系电池！

使用具有成本效益和环境友好的分子拥挤剂来代替高浓度的盐是抑制电化学储能装置中水分解的一种很有前景的策略。然而，由于缺乏对拥挤剂结构如何影响电解液关键性能的全面了解，阻碍了高功率和高压水系电池分子拥挤电解液的合理设计。

在此，香港中文大学卢怡君教授等人研究了拥挤试剂中不同的端基和官能团的数量如何影响试剂-试剂和H₂O-试剂的分子间相互作用，从而确定电解液电导率和电压窗口。研究表明，减弱拥挤剂端基之间的分子间相互作用可以降低拥挤剂的粘度并增加电解液的离子电导率。

此外，通过增加官能团的数量来增加H₂O与试剂的相互作用可以扩大电化学电压窗口，这些由线性扫描伏安法 (LSV)、FTIR和NMR光谱验证。在该设计原理基础上，作者展示了一种新的拥挤剂，即聚乙二醇二甲醚（PEGDME）450，它削弱了拥挤剂之间的分子间相互作用（去除分子间氢键），与PEG400相比，离子电导率大幅提高了3倍（ 2.4 mS cm^-1 vs 0.8 mS cm^-1) 而不牺牲电压窗口 (3.2 V)。

图1. 分子间作用对电导率和电压窗口的影响

使用这种新设计电解液的高功率和高电压水系Li₄Ti₅O₁₂/LiMn₂O₄电池在5 C下稳定循环800次，能量密度达72 Wh kg^-1（而PEG400为10 Wh kg^-1）。在线电化学质谱 (OEMS) 证实，在电池运行期间未检测到析氢反应 (HER)。XPS和高分辨率透射电子显微镜 (HRTEM) 首次揭示了在低LiTFSI浓度 (2 M) 下形成稳定的 SEI。

开发的电解液通过抑制锰基普鲁士蓝正极的过渡金属溶解，进一步证明了可逆的Na⁺插层和1 C下300次的稳定循环。这项工作展示了先进的水系电解液设计和高性能电池的通用策略。

图2.  L-LTO//LMO循环性能及该电解液与最先进的高压电解液的比较

Tuning Intermolecular Interactions of Molecular Crowding Electrolyte for High-Performance Aqueous Batteries, ACS Energy Letters 2021. DOI: 10.1021/acsenergylett.1c02064