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欧洲杯线上买球 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。