Advanced Energy Materials:水系锂、钠离子电池SEI膜的原位构建

随着太阳能、风能等清洁能源大规模推广,储能电池的需求越来越多。锂离子电池由于较高的能量密度和环境友好的优势,大量用于储能电站。但是有机电解液的使用,使其规模化应用存在一定的安全隐患。铅酸电池具有安全性高、成本低的优点,通过掺碳电池寿命可达5000次,能量密度达到40瓦时/千克,广泛应用于储能系统,但是其存在一定的环境污染缺陷。因此,安全性高、无污染的绿色水系金属离子二次电池非常适用于储能系统。

自从1994年加拿大科学家Dahn首次报道一种LiMn2O4/VO2水系锂离子电池以来,研究人员报道了多种水系锂离子电池例如:LiCoO2/LiV3O8,LiMn2O4/LiV3O8,LiMn2O4/TiP2O7,LiMn2O4/LiTi2(PO4)3, LiFePO4/LiTi2(PO4)3等。然而,水系电解液电化学稳定窗口窄(1.23V),限制了电极材料的选择以及电池工作电压,导致水系离子电池能量密度较低。Wang 等人报道了一种双三氟亚胺锂超高浓度水溶液作为电解液(21mol/kg),双三氟亚胺阴离子基团参与形成锂溶剂化层在电极材料表面发生电化学还原反应生成SEI膜将电解液电化学稳定窗口拓宽至3.0 V以上。

江苏理工学院钱逸泰、侯之国课题组提出一种新思路:向电解液中添加具有强配位能力的有机分子,参与形成新型[Li(H2O)x(organic)y]+溶剂化层结构,有机分子的电化学稳定窗口比水分子更窄,在电极表面先于水分子发生电化学氧化还原反应,反应产物沉积在电极材料表面形成SEI膜。 SEI膜的形成使得电解液电化学稳定窗口拓宽至3.0 V。该策略不仅适用于水系锂离子电池体系,而且也适用于水系钠离子电池体系。通过向电解液中添加尿素,LiMn2O4 /Mo6S8 水系锂离子电池工作电压达到2.1 V 循环寿命达到2000次. 此外,采用Na3V2(PO4)3 作为电极材料组装的对称水系钠离子电池工作电压1.7 V,循环寿命达到1000次。  

该研究策略也可适用于其他金属离子电池体系,比如水系金属锌离子电池体系等。研究者相信,此项研究将会为水系离子电池电研究打开一扇新的窗户。并且该策略方法简单,使用的原料来源广泛,价格低廉,能够有助于推动水系离子电池的实际应用。相关论文在线发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201903665)上。