Advanced Materials:超浓水系电解质及其在双离子电池中的应用

水系电解质的使用可以有效缓解人们对于电池安全、成本及环境影响的担忧。目前水系电解质的发展主要受限于其狭窄的电化学稳定窗口(约1.23 V)及缺少可与该窗口相兼容的高比容量电化学反应类型。改善此类问题的一种有效方法是调节电解质离子与水之间的相互作用,进而对电解质的各项参数(例如黏度,溶解度,电化学反应活性及稳定性等)进行调控。与传统水系电解质(~1 mol L-1)相比,以高盐浓度(20-30 mol kg-1)为特征的“盐包水”型电解质可以有效拓宽电化学稳定窗口至3.0 V,极大地提升了水系电化学储能器件的能量密度。通过引入具有相似化学性质的类似盐,研究人员进一步发展了具有更高盐浓度、更低水含量和更宽电化学稳定窗口的“双盐包水”型或水合共熔盐电解质。制备具有更高浓度的水溶液,是探索新型水系电解质发展方向的一个突破口。然而,已有“(双)盐包水”型电解质/水合共熔盐中的溶质含量基本已达到其物理溶解极限,如何进一步提升电解质溶液中的盐浓度面临着巨大的挑战。

浙江大学高超教授团队与徐志康教授、马里兰大学王春生教授(共同通讯)团队合作,利用氯化锌、溴化锌、醋酸锌和水制备了一种超溶解水系电解质,其通过在一定条件下形成乙酸基封端的盐-水“齐聚物”突破了盐溶质的物理溶解极限。该策略成功地将电解质的浓度上限提升至75 mol kg-1,远高于已有“(双)盐包水”/水合共熔盐电解质中的盐浓度(21-40 mol kg-1)。拉曼、核磁、质谱及热分析结果表明,这种新型无机电解质具有类似于聚合物的结构及特质。以上述超溶解盐-水“齐聚物”为电解质、锌为负极、石墨烯为正极,基于锌-卤化学构建的水系双离子电池具有优异的电化学性能。相关结果发表在Advanced Materials上。

论文信息:

Water-salt Oligomers Enable Supersoluble Electrolytes for High-Performance Aqueous Batteries 

Shengying Cai ,Xingyuan Chu, Chang Liu ,Haiwen Lai ,Hao Chen ,Yanqiu Jiang ,Fan Guo ,Zhikang Xu, Chunsheng Wang ,Chao Gao

Advanced Materials

DOI:10.1002/adma.202007470