Small:利用水系/非水系复合电解液构筑更安全的双离子电池

近年来,双离子电池因其独特的阴离子储能机制引起了广泛的关注。与传统金属离子电池通过阳离子在正负电极间穿梭储能和释能的机理不同,双离子电池通过阴、阳离子协同在正、负极的嵌入和脱出进行能量储存与释放。因此,双离子电池通常具有更高的工作电压。另外,使用石墨作为正极活性材料可以进一步提高双离子电池的工作电压(> 5 V),而且有利于降低材料成本,以及展现更好的环境友好性。然而,双离子电池广泛使用的非水系有机电解液具有可燃性,存在一定的安全隐患。不可燃水系电解液的使用可以很好地消除该安全隐患。但是,为了满足双离子电池的工作要求,水系电解液的电化学稳定性电压窗口需要改善。

兰州大学物理科学与技术学院栗军帅课题组和中国科学院兰州化学物理研究所阎兴斌课题组合作,通过制备高浓度的“水在双盐(water-in-bisalt)”水系和非水系复合电解液(将7 m LiOTF和21 m LiTFSI水系电解液与LiTFSI和碳酸二甲酯(DMC)以1:1.2摩尔比混合的有机电解液进行复合),显著提升了水系电解液的电化学稳定电压窗口,并有效降低了有机成分的可燃性。利用该复合电解液制备的双离子电池展现出良好的电化学性能。相关结果在线发表在Small(DOI:10.1002/smll.201905838)。

“水在双盐”溶液(7 m LiOTF和21 m LiTFSI溶于水)的超高盐浓度一方面使得电解液中没有游离水,几乎所有水分子都用来形成溶剂化壳层;另一方面,也有利于在工作电极表面形成更加致密的固态电解质界面(SEI)膜——具有钝化作用的SEI膜可进一步拓宽电解液的稳定电压窗口。有机溶液(LiTFSI和DMC以1:1.2摩尔比混合)中的有机溶剂DMC可在负极表面形成保护膜。在两种电解液的协同作用下,所制备的水系/非水系复合电解液不仅具有-1.5−+2.5 V (vs. Ag/AgCl)的宽电化学稳定电压窗口,并且具有很好的阻燃性。利用该水系/非水系复合电解液与KS6石墨薄片正极活性材料、五氧化二铌负极活性材料组装成双离子电池,在0−3.2 V电压窗口和200 mA/g电流密度下,可以稳定循环300圈。文章还通过拉曼、原位X射线衍射和基于密度泛函理论的数值分析,对水系/非水系复合电解液和相关双离子电池的工作机理进行了深入的表征和研究。