张立群院士&周伟东Nat. Sustain.：高性能、可持续水基锂离子电池!

一、【科学背景】

能源是人类社会发展的动力。近年来，随着全球“碳达峰、碳中和”发展目标的确定，基于可再生能源利用的大规模储能和新能源汽车的普及推广也成为发展的必然趋势。然而随着对高能量密度锂离子电池（LIBs）需求的不断增长，其安全性也日益受到关注。传统LIBs大多使用易燃有机电解质，存在较大安全隐患。作为解决方案，采用水性电解质不仅安全，还能降低成本和提高环保性。然而，水基电解质的实际应用受到其狭窄的电化学窗口（EW）限制，特别是在阳极侧析氢（HER）的高电化学电位。为了扩大电化学窗口，研究者们提出了使用高浓度锂盐水基电解质（>21 mol kg^-1），通过形成盐包水（WIS）复合物来限制水分子，但是过量的昂贵锂盐不仅增加了成本，还会导致环境问题。

二、【创新成果】

基于以上难题，北京化工大学张立群院士和周伟东教授在Nature Sustainability发表了题为“Water-in-polymer electrolyte with a wide electrochemical window and recyclability”的论文，展示了一种聚合物包水电解质，通过引入聚丙烯酰胺网络来固定水分子，从而在保持高含水量的同时，实现了与高浓度电解质相当的宽电化学窗口。由此电解质组成的固态Li₄Ti₅O₁₂//LiMn₂O₄电池即使在较高的阴极负载（16 mg cm^-2）和7 g Ah^-1的低浓度电解质条件下也能实现稳定的循环。此外，该电解质设计还实现了高达80%的LiTFSI盐的回收率和聚合物基质的再生，为开发更可持续的水基LIBs迈出了重要一步。

研究人员通过将丙烯酰胺（AM）水溶液与不同浓度的LiTFSI聚合，制得了薄而坚固的聚合物包水固体电解质膜。与纯LiTFSI水溶液相比，在3.2 m至7.6 m LiTFSI浓度范围内，添加AM的溶液能略微扩展EW，尤其是在7.6 m LiTFSI浓度时，EW延长了0.7 V。这一现象归因于AM和水分子间的氢键作用及其对水分子的限制作用。

图1  WIPSE 和 FWIPSE 的EW测试 © 2024 Springer Nature

为了探究特定水体系的电化学性质，研究人员首先研究了不同比例下水与LiTFSI之间的相互作用。

图2  WIPSE 中水与Li⁺和PAM的相互作用 © 2024 Springer Nature

图3  固态电池中WIPSE和FWIPSE的电化学性能 © 2024 Springer Nature

图4  LiTFSI的回收和FWIPSE的再生 © 2024 Springer Nature

三、【科学启迪】

综上，本研究构建了聚合物包水电解质通过聚丙烯酰胺网络固定水分子，实现了低浓度、高含水量电解质的宽电化学窗口（与高浓度电解质相当），有效抑制了HER。此外，通过引入共聚四氟丙基甲基丙烯酸酯（TFMA），生成了富含LiF的固体电解质界面（SEI），进一步提高了电池的循环稳定性和库仑效率。本研究还展示了从使用过的FWIPSEs中高效回收LiTFSI，并成功再生聚合物电解质，为降低生产成本和提高LIBs的环境友好性提供了新策略。这些发现为开发低成本、高安全性和可持续性LIBs开辟了新途径。

原文详情：Water-in-polymer e lectrolyte with a wide electrochemical window and recyclability (Nat. Sustain. 2024, DOI: 10.1038/s41893-024-01327-5)

本文由赛恩斯供稿。