Advanced Functional Materials:应用于电化学储能器件的Water-in-salt电解液

随着间歇性可再生能源(如太阳能、风能、生物质能)的广泛使用、电动汽车市场的不断增长和便携式/可穿戴消费电子产品的迅速发展,对EES器件提出了更高的要求(高能量密度,高功率密度,良好的循环稳定性),而电解液作为储能器件的关键部分,直接影响其性能。目前电化学储能器件的高压主要是通过非水电解质满足的,但由于其一些固有的缺点,如安全性差,污染环境等,开发具有宽ESW的水系电解液尤为重要。WISE应运而生,它在保持水系电解液特性的基础上,实现了令人惊异的宽ESW(`3 V),但基于LiTFSI的WISE电解液同时也具有一些不可忽略的缺点,比如离子电导率低、润湿性差,成本高等,这将严重影响EES器件的电化学性能。因而以优化LiTFSIWISE为出发点,很多类似物以及类似体系被研究,大大增加了WISE在电化学储能器件中的实用性。

中国科学院兰州化学物理研究所阎兴斌课题组针对WISE以及其在EES器件中的应用进行了全面的介绍以及对后续地研究方向进行了展望。其主要是从以下几个方面方面展开的:

  1. 首先,WISE最突出的优势就是宽的ESW,而其得以拓宽的原因主要有以下几点:特殊的溶剂化结构导致水的活性的降低、阴离子屏蔽作用以及固相电解液界面(SEI)的形成。基于以上特殊的溶剂化结构,相较于稀的水系电解液,WISE的一些物理化学性质也发生变化。同时为了优化WISE,衍生的体系得到开发。例如有机/无机杂化的WISE和分子拥挤型电解液。
  2. 最重要的是,WISE以及衍生体系在EES器件应用中展现出来的作用是不容小觑的。首先,一些由于窗口限制在稀的水系电解液中不可用的电极材料在具有宽ESW的WISE可以实现良好的储能;其次,无论是在电池还是超级电容器中,只要具有SEI形成的来源物质和足够的电压,SEI就可以形成,并进一步拓宽器件的窗口以及优化器件的循环稳定性。目前较为认可的几种有关形成机制也被详细地介绍。除此以外,WISE还能抑制一部分集流体的腐蚀。WISE的应用范围十分广泛,不光可以应用于锂离子电池,还可以应用于钠离子电池、钾离子电池、杂化离子电池、双离子电池、Li-S电池和Li-O2电池等,展现出稀水系电解液所不具备的特性以优化器件。近年来,WISE在超级电容器中的应用也越来越广泛。而WISE的成本问题也成为阻碍其进一步发展的不可忽视的障碍。后续的一部分研究者就以研究低成本的WISE盐为目标,目前报道较多的有高氯酸盐和硝酸盐,这将大大推动WISE的产业化应用。
  3. 在最后,基于课题组的研究经验,几个有关WISE的未来的发展方向被给出。其中值得强调的就是计算的方法对于探索WISE的新体系、离子传输机制、以及其中SEI的形成机理是一个十分有前途的手段;且对于正确评价WISE的EES器件的性能本文也给出了一定的说明。

研究者相信,这篇综述将会为从事WISE相关研究的研究者提供一个便捷的学习途径,同时对未来WISE器件的发展提供新的思路。相关论文在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202006749)上。