Вода

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 2154 (2023) Цитировать эту статью

1346 Доступов

4 Альтметрика

Подробности о метриках

Электролиты «вода в соли» сделали водные литий-ионные батареи одними из наиболее многообещающих кандидатов для решения проблем безопасности, присущих традиционным литий-ионным батареям. Простое увеличение концентрации соли лития в электролитах может успешно расширить окно электрохимической стабильности водных электролитов за пределы 2 В. Однако необходимые улучшения стабильности требуют увеличения сложности тройных электролитов. Здесь мы исследовали влияние новых ионных жидкостей типа Близнецов (GIL) в качестве систем сорастворителей в водных смесях Li[TFSI] и исследовали транспортные свойства полученных электролитов, а также их электрохимические характеристики. Устройства, содержащие GIL на основе пирролидиния, демонстрируют превосходную циклическую стабильность и многообещающую удельную емкость в ячейках на основе широко используемых электродных материалов LTO (Li4Ti5O12) и LMO (LiMn2O4).

Растущий спрос на аккумуляторные батареи с высокой производительностью на основе экологически чистых материалов в сочетании с высоким уровнем безопасности направил исследования на водосодержащие электролиты1,2,3,4. Первоначально водных электролитов избегали из-за низкой плотности энергии, вызванной узким электрохимическим окном самой воды5. Проблема разделения воды была успешно решена благодаря революционному открытию Суо и др. где применялись высококонцентрированные водные электролиты6. Концентрации солей на самом деле настолько высоки, что их можно рассматривать как гидратированные расплавленные соли при комнатной температуре. В таких водно-солевых электролитах (WISE), чаще всего на основе бис(трифторметансульфонил)имида лития (Li[TFSI]), активность воды снижается из-за сильного взаимодействия воды с катионами лития, что является следствием снижения доступности «бесплатной» воды6,7,8,9. В частности, высокая концентрация соли напрямую диктует термодинамическое состояние молекул воды, а также анионов соли, влияя тем самым на их электрохимическое поведение. В последнее время важность термодинамических эффектов для стабильности WISE стала более тщательно изучаться. Сильная координация молекул воды с ионами лития усиливает внутримолекулярную связь O–H из-за отсутствия соседних молекул воды, что, как следствие, влияет на электрохимическую стабильность10,11. Более того, могут также существовать косвенные кинетические эффекты, связанные с образованием межфазной границы твердого электролита (SEI) на аноде6,12. В этом контексте было доказано, что использование [TFSI]– в качестве аниона, который сильно взаимодействует с Li+, особенно в таких высоких концентрациях, способствует образованию SEI13, производного аниона. Утверждалось, что синергия этих эффектов приводит к увеличению окна электрохимической стабильности (ESW) ≈2,5 В для WISE в литий-ионных батареях (LIB)4,6,14. Однако было замечено, что дальнейшее увеличение ESW ограничивается растворимостью солей лития, что, в свою очередь, также вызывает нежелательные проблемы кристаллизации из-за проблем насыщения9,15. В качестве потенциального решения было успешно применено введение в WISE нескольких солей или сорастворителей. Этот подход был обусловлен идеей дальнейшего снижения активности воды за счет формирования сольватной оболочки с дефицитом воды вокруг катионов лития и содействия образованию SEI. Обширные исследования в области бисолевого подхода и эвтектических смесей, включающие сочетание солей лития с различными перфторированными анионами, позволили добиться растворимости до 60 моль соли на кг воды (60 м), и в результате ESW был повышен до > 3,5 V4,16,17,18. Однако вязкость этого типа жидкости довольно высока, что приводит к более медленному массопереносу и, следовательно, к уменьшению переноса заряда. Впоследствии различные исследовательские группы успешно расширили предел катодного напряжения и увеличили растворимость солей лития, используя сорастворители, такие как диметилкарбонат19, ацетонитрил20 и диметиловый эфир тетраэтиленгликоля21. Несмотря на то, что получаемые электролиты являются негорючими, производственный процесс по-прежнему сталкивается с проблемами летучести и воспламеняемости используемых сорастворителей, что является основным недостатком реализации этой стратегии в долговечных ЛИА.