張立群院士&周偉東Nat. Sustain.：高性能、可持續水基鋰離子電池!

一、【科學背景】

能源是人類社會發展的動力。近年來，隨著全球“碳達峰、碳中和”發展目標的確定，基于可再生能源利用的大規模儲能和新能源汽車的普及推廣也成為發展的必然趨勢。然而隨著對高能量密度鋰離子電池（LIBs）需求的不斷增長，其安全性也日益受到關注。傳統LIBs大多使用易燃有機電解質，存在較大安全隱患。作為解決方案，采用水性電解質不僅安全，還能降低成本和提高環保性。然而，水基電解質的實際應用受到其狹窄的電化學窗口（EW）限制，特別是在陽極側析氫（HER）的高電化學電位。為了擴大電化學窗口，研究者們提出了使用高濃度鋰鹽水基電解質（>21 mol kg^-1），通過形成鹽包水（WIS）復合物來限制水分子，但是過量的昂貴鋰鹽不僅增加了成本，還會導致環境問題。

二、【創新成果】

基于以上難題，北京化工大學張立群院士和周偉東教授在Nature Sustainability發表了題為“Water-in-polymer electrolyte with a wide electrochemical window and recyclability”的論文，展示了一種聚合物包水電解質，通過引入聚丙烯酰胺網絡來固定水分子，從而在保持高含水量的同時，實現了與高濃度電解質相當的寬電化學窗口。由此電解質組成的固態Li₄Ti₅O₁₂//LiMn₂O₄電池即使在較高的陰極負載（16 mg cm^-2）和7 g Ah^-1的低濃度電解質條件下也能實現穩定的循環。此外，該電解質設計還實現了高達80%的LiTFSI鹽的回收率和聚合物基質的再生，為開發更可持續的水基LIBs邁出了重要一步。

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研究人員通過將丙烯酰胺（AM）水溶液與不同濃度的LiTFSI聚合，制得了薄而堅固的聚合物包水固體電解質膜。與純LiTFSI水溶液相比，在3.2 m至7.6 m LiTFSI濃度范圍內，添加AM的溶液能略微擴展EW，尤其是在7.6 m LiTFSI濃度時，EW延長了0.7 V。這一現象歸因于AM和水分子間的氫鍵作用及其對水分子的限制作用。

圖1 ?WIPSE 和 FWIPSE 的EW測試 ? 2024 Springer Nature

為了探究特定水體系的電化學性質，研究人員首先研究了不同比例下水與LiTFSI之間的相互作用。

圖2 ?WIPSE 中水與Li⁺和PAM的相互作用 ? 2024 Springer Nature

圖3 ?固態電池中WIPSE和FWIPSE的電化學性能 ? 2024 Springer Nature

圖4 ?LiTFSI的回收和FWIPSE的再生 ? 2024 Springer Nature

三、【科學啟迪】

綜上，本研究構建了聚合物包水電解質通過聚丙烯酰胺網絡固定水分子，實現了低濃度、高含水量電解質的寬電化學窗口（與高濃度電解質相當），有效抑制了HER。此外，通過引入共聚四氟丙基甲基丙烯酸酯（TFMA），生成了富含LiF的固體電解質界面（SEI），進一步提高了電池的循環穩定性和庫侖效率。本研究還展示了從使用過的FWIPSEs中高效回收LiTFSI，并成功再生聚合物電解質，為降低生產成本和提高LIBs的環境友好性提供了新策略。這些發現為開發低成本、高安全性和可持續性LIBs開辟了新途徑。

原文詳情：Water-in-polymer e lectrolyte with a wide electrochemical window and recyclability (Nat. Sustain. 2024, DOI: 10.1038/s41893-024-01327-5)

本文由賽恩斯供稿。