
《焦耳》2月刊封面 西湖大學供圖
生活中最常見的鋰離子電池,但因其對溫度敏感,一旦電池內部局部過熱,便可誘發一連串放熱反應,甚至起火爆炸……據不完全統計,2021年全國新能源汽車火災事故約3000起,電動自行車火災約1.8萬起,造成巨大的人員安全和財產損失。
面對懸而未決的安全問題,科學家們把目光投向了水系電解液。今年1月,西湖大學王建輝團隊和劉仕團隊在《焦耳》線上發表題為《非對稱供體——受體分子調控的新型核殼溶液結構的新型電解液,助力高電壓水系電池》的研究文章,并在剛剛出版的《焦耳》2月刊中作為封面出現。
論文第一作者是西湖大學博士研究生林銳和博士后柯昌明,通訊作者是西湖大學特聘研究員王建輝和劉仕。
相比目前鋰離子電池使用的有機電解液,水系電解液的安全系數要高很多,不難理解,水系溶液不可燃,這就大大降低了電池燃燒爆炸的風險。
安全性高、制備條件寬松、成本低廉,一直是水系電解液的搶眼優勢。但它的瓶頸同樣突出——電壓窗口窄,限制了電池的能量密度上升空間。例如,常規水系電池,如鉛酸電池、鎳鎘電池的電壓為1-2 V,能量密度只有30-50 Wh/kg,遠低于有機系鋰離子電池(3-4 V,150-250 Wh/kg)。水系電池的能量密度不到鋰離子電池的1/3,因此使用水系電解液的電池在市場上不具備競爭優勢。
如何制備出寬電壓窗口的水系電解液,以實現匹敵有機系鋰離子電池的能量密度?在全新水系電解液中,研究團隊用到了一種“關鍵配方”——甲基脲分子。甲基脲是一種十分常見的化學物質,主要用于有機合成及制藥工業,成本低廉。更重要的是,作為一種不可燃、低毒的物質,甲基脲十分符合制備水系電解液材料的需求。
通過多種原位/準原位表征,以及反復的實驗驗證,加入甲基脲的電解液可以有效抑制水在高/低電位條件下的氧化/還原分解等副反應。在相同測試條件下,研究團隊對比研究了近10種已報道的代表性高電壓水系電解液,結果顯示甲基脲水系電解液具有最寬的4.5V的電化學穩定窗口,是常規水系電解液的2倍多。基于此結果,能夠大幅提高水系電池的能量密度,有望開發出與有機系鋰離子電池相匹敵,并兼顧安全和成本優勢的新型電池。
“結構決定性能。”王建輝團隊和劉仕團隊合作,通過分子層面的模擬計算,深入理解電解液組成、結構與功能之間的聯系。
基于大量數據結果分析和不同尺度下觀察,他們發現了一個獨特的溶液結構,顯著區別于普通水溶液。《焦耳》封面上的水滴,黃綠色的“鹽核”被藍紫色的“有機/水殼”緊緊包裹,共同形成一種名叫“核殼”的溶液結構。王建輝表示,這是一種在固體納米材料中“最常見”的結構,但在液體中發現類似結構令人非常意外,這為調控溶液結構、設計新型電解液,以及后續各種可能的應用研究提供了理論基礎。
相關論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.joule.2022.01.002
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