Small Structures:高电压水系电池的设计策略

锂离子电池因具有能量密度和输出电压高、使用寿命长等优势,已成为当前电动汽车及大规模储能系统的主要动力电源。然而,其使用的易燃有机电解液所导致的本征安全问题引发了研究者对其大规模应用前景的担忧。水系可充金属离子电池(ARMB)摒弃了传统的有机溶剂,而采用了水溶液作为电解液,从根本上避免了电池的安全隐患,但狭窄的电化学稳定窗口(ESW)和大规模生产的不确定性阻碍了其实际应用。

武汉大学曹余良教授和陈重学副教授对当前提高水系电池工作电压的策略进行了全面的阐述,总结了目前拓宽ESW的方法和策略,讨论主要集中于三个方面:电解液,电极和集流体。

(1)在电池的阴、阳极处采用不同pH值的电解液可达到拓宽电池电压窗口的目的,因而需要发展多组分电解液设计方法及实现技术。高浓度电解液也能拓宽ESW,这源于水溶液结构、本体水分子的电子状态和金属离子溶剂化结构的改变,且阴离子衍生的SEI在高浓度电解液中较为稳定。此外,水系/有机系混合电解液和混合盐电解液能较大地拓宽ESW,受到了广泛关注。熔融盐电解液也能拓宽ESW,但尚未解决成本高和电导率低的问题。凝胶聚合物电解液能利用聚合物链形成“水分子牢笼”从而达到拓宽ESW的效果。(2)电解液和电极是相辅相成的:一方面电解液的宽窗口可以扩大电极的选择范围;另一方面电极的设计也会影响电解液的电压窗口。原位或非原位修饰电极、构建隔离层和引入竞争氧化还原电对都能拓宽ESW,电极的改性是对上述电解液设计的重要补充。(3)在集流体上构建修饰层或钝化层可提高其对水电解反应的过电势,从而拓宽ESW。考虑到实际应用的要求,本综述也从电解液的电压窗口、成本、离子电导率、安全性和可制造性等方面,对上述各种电解液的商业前景进行了全面的评估。

ARMB以其高功率密度、易于制造和极高安全性等特质,展现出在未来大规模储能系统中应用的潜力。进一步拓宽ESW可提高电池的工作电压和能量密度,从而增强其竞争力。值得注意的是,无论我们在设计中采用何种策略,都应将降低成本、简化制造工艺以及提高电解液的可持续性放在与拓宽电解液ESW同等重要的地位加以讨论。我们希望本综述能够为宽ESW水系电池的设计提供指导,并且我们也相信通过电极、电解液和集流体的协同设计可推动水系电池的实际应用。

论文信息:

Design Strategies for High-Voltage Aqueous Batteries

Chongrui Dong, Fei Xu, Long Chen, Zhongxue Chen*, Yuliang Cao*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202100001

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sstr.202100001