​索鎏敏&许康等：水包盐电解质今日Nature Chemistry

第一作者：Jinming Yue

通讯作者：Liumin Suo (索鎏敏)；Kang Xu (许康)

通讯单位：中科院物理所&长三角物理研究中心；美国陆军研究实验室

【研究亮点】

研究了水中CO₂与TFSI阴离子相互作用与其浓度的关系，并发现在5 mol kg⁻¹ LiTFSI中达到最强相互作用，使其中的CO₂处于稳定且富集的状态，从而有助于Li₂CO₃中间相生成。基于这种作用设计的CO₂/水包盐电解质不仅继承了盐包水电解质的宽电化学稳定性窗口和不可燃性，而且成功地规避了过量盐引起的众多缺点。

【主要内容】

在锂离子电池之前的时代，水是大多数电化学装置中的通用电解质溶剂，包括电池、超级电容器、CO₂电化学还原装置和电镀装置，可提供快速充电和高倍率性能等优异的动力学表现以及低成本。实际上，所有这些水系装置通常在低电压下运行，受到水狭窄的电化学稳定性窗口和严重析氢的限制，同时没有非水电解质中发现的固体电解质中间相 (SEI) 的动力学保护。最近，盐包水电解质的发现打破了水狭窄电化学稳定性窗口的限制，该电解质在H₂O中采用超浓锂盐（21 m 双三氟甲烷磺酰亚胺锂，LiTFSI），并通过在水系介质中形成中间相从而实现了~3.0 V的窗口。然而，超浓LiNO₃电解质却从未在水系锂离子电池的实验中形成中间相。显然，除了其高浓度外，阴离子化学也是诱导水系中间相形成的关键因素。鉴于此，中科院物理所以及长三角物理研究中心索鎏敏研究员联合美国陆军研究实验室许康研究员等人在Nature Chemistry发文研究水系电解质中的溶解气体如何影响盐包水电解质组分的还原过程并利用其相互作用设计了新型CO₂-水包盐电解质。

在这项工作中，研究人员发现CO₂和TFSI之间存在独特的相互作用，这随后会影响其电化学行为并导致富含Li₂CO₃的中间相生成。基于这一发现，作者设计了一种CO₂-水包盐电解质（CO₂ 在5 m LiTFSI-H₂O中），其中 CO₂ 作为界面形成添加剂。这种稀释的水系电解质继承了盐包水电解质的宽电化学稳定性窗口和安全性，同时成功地克服了其缺点，如缓慢的反应动力学、高液相线温度和高成本。用这种电解质构建的水系锂离子电池不仅具有与盐包水电解质相似的电化学稳定性窗口，而且还具有出色的倍率性能、低温性能 (-40°C) 和高容量。水系全电池LiMn₂O₄/CO₂–SIW/Mo₆S₈初始容量为 90 mAh g^–1，50次循环后容量保持率为88%，同时在-40°C的温度下达到了70 mAh g^–1。除了电池性能方面的这些好处之外，较低的浓度还可以将电池成本降低一半。作者相信，这种 CO₂-TFSI 相互作用的发现不仅通过纠正不可持续的超高浓度方法来促进更加实用的水系锂离子电池，而且在更广泛的背景下，使我们了解电解质组分之间曾经被忽视的复杂相互作用并利用它们进行相间化学调控。

Fig. 1 | Quantitative analysis of the contribution to the initial discharge capacity in various WIS electrolytes.

Fig. 2 | The evaluation of the SEI on the Mo₆S₈ electrode in WIS electrolyte (21 m LiTFSI) saturated with various gases in the three-electrode device.

Fig. 3 | The physicochemical properties of 5 m LiTFSI solution.

Fig. 4 | The interaction between CO₂ and the TFSI anion before and after treatment with CO₂.

Fig. 5 | The electrochemical performance of an aqueous full-cell (LiMn₂O₄/CO₂–SIW/Mo₆S₈).

Fig. 6 | The kinetics-determining electrochemical performances of the LiMn₂O₄/Mo₆S₈ aqueous full-cell in CO₂–SIW and WIS electrolytes.

【文献信息】

Yue, J., Zhang, J., Tong, Y. et al. Aqueous interphase formed by CO2 brings electrolytes back to salt-in-water regime. Nat. Chem. (2021). https://doi.org/10.1038/s41557-021-00787-y