使用具有成本效益和環(huán)境友好的分子擁擠劑來代替高濃度的鹽是抑制電化學(xué)儲(chǔ)能裝置中水分解的一種很有前景的策略。然而，由于缺乏對擁擠劑結(jié)構(gòu)如何影響電解液關(guān)鍵性能的全面了解，阻礙了高功率和高壓水系電池分子擁擠電解液的合理設(shè)計(jì)。

在此，香港中文大學(xué)盧怡君教授等人研究了擁擠試劑中不同的端基和官能團(tuán)的數(shù)量如何影響試劑-試劑和H₂O-試劑的分子間相互作用，從而確定電解液電導(dǎo)率和電壓窗口。研究表明，減弱擁擠劑端基之間的分子間相互作用可以降低擁擠劑的粘度并增加電解液的離子電導(dǎo)率。

此外，通過增加官能團(tuán)的數(shù)量來增加H₂O與試劑的相互作用可以擴(kuò)大電化學(xué)電壓窗口，這些由線性掃描伏安法 (LSV)、FTIR和NMR光譜驗(yàn)證。在該設(shè)計(jì)原理基礎(chǔ)上，作者展示了一種新的擁擠劑，即聚乙二醇二甲醚（PEGDME）450，它削弱了擁擠劑之間的分子間相互作用（去除分子間氫鍵），與PEG400相比，離子電導(dǎo)率大幅提高了3倍（ 2.4 mS cm^-1 vs 0.8 mS cm^-1) 而不犧牲電壓窗口 (3.2 V)。

圖1. 分子間作用對電導(dǎo)率和電壓窗口的影響

使用這種新設(shè)計(jì)電解液的高功率和高電壓水系Li₄Ti₅O₁₂/LiMn₂O₄電池在5 C下穩(wěn)定循環(huán)800次，能量密度達(dá)72 Wh kg^-1（而PEG400為10 Wh kg^-1）。在線電化學(xué)質(zhì)譜 (OEMS) 證實(shí)，在電池運(yùn)行期間未檢測到析氫反應(yīng) (HER)。XPS和高分辨率透射電子顯微鏡 (HRTEM) 首次揭示了在低LiTFSI濃度 (2 M) 下形成穩(wěn)定的 SEI。

開發(fā)的電解液通過抑制錳基普魯士藍(lán)正極的過渡金屬溶解，進(jìn)一步證明了可逆的Na⁺插層和1 C下300次的穩(wěn)定循環(huán)。這項(xiàng)工作展示了先進(jìn)的水系電解液設(shè)計(jì)和高性能電池的通用策略。

圖2. ?L-LTO//LMO循環(huán)性能及該電解液與最先進(jìn)的高壓電解液的比較

Tuning Intermolecular Interactions of Molecular Crowding Electrolyte for High-Performance Aqueous Batteries, ACS Energy Letters 2021. DOI: 10.1021/acsenergylett.1c02064