张锦凯关于电池的工作以二作发表在Nature Chemistry上

张锦凯关于电池的工作以二作发表在Nature Chemistry上

10月11日，《自然•化学》（Nature Chemistry）以研究长文的形式发表了中国科学院物理研究所索鎏敏研究员团队、美国陆军研究实验室许康教授团队与我校能源学院冯光教授团队关于水系锂离子电池的合作研究成果；论文题为Aqueous interphase formed by CO2 brings electrolytes back to salt-in-water regime。

在锂离子电池出现前，水是大多数电化学装置中的通用溶剂，具有动态性能好，成本低的优势。然而实际使用中，受限于水狭窄的电化学稳定性，且缺乏非水电解质中发现的固体-电解质膜 (Solid-Electrolyte Interface, SEI) 的动力学保护，传统水系电化学装置通常在低电压下运行。最近，盐包水电解质（Water-in-Salt electrolyte，WIS）的发现打破了水狭窄电化学稳定性窗口的限制，该电解质在水中采用超浓锂盐（21 m 双三氟甲烷磺酰亚胺锂，LiTFSI），通过SEI的形成实现了~3.0 V的电化学窗口。SEI成分包含LiF，Li₂O，Li₂CO₃，其中LiF来自含氟阴离子TFSI^-，Li₂O与Li₂CO₃来自溶解的O₂与CO₂。然而，超浓LiNO₃电解质却从未被观察到形成此类SEI。因此，除了浓度外，阴离子种类也是诱导SEI形成的关键因素。鉴于此，该工作研究了水系电解质中的溶解气体对盐包水电解质组分的还原过程的影响，揭示了电解质中阴离子与CO₂独特的相互作用，基于此设计了新型CO₂-水包盐(Salt-In-Water electrolyte，SIW)电解质。

冯光教授团队利用分子动力学模拟，通过计算引入CO₂前后阴离子的电荷密度，研究不同浓度盐溶液中CO₂对电解液结构的影响。结果表明，当电解质浓度从21 m降低到5 m的过程中，阴离子TFSI^-中F原子周围，引入CO₂后相比于引入CO₂前，第一个负电荷密度谷值的差值从−1.18 e/nm³减小到−1.91 e/nm³，第一个正电荷密度峰值的差值从2.23 e/nm³减小到1.84 e/nm³，即在浓度为5 m时，用CO₂处理前后，F附近的电荷密度变化程度最大，与实验部分¹⁹F NMR结果相一致。通过分析不同组分对电荷密度变化的贡献，发现引入的CO₂同时影响水与TFSI^-，TFSI^-与TFSI^-间的相互作用，此影响的程度高度依赖于盐水比，且在5 m时最大，表明此时CO₂与TFSI^-的相互作用最强。

此工作揭示了5 m 时CO₂和TFSI^-之间独特的相互作用，并发现此浓度下CO₂作为添加剂能参与界面SEI的形成；基于此，设计了一种CO₂-SIW电解质（CO₂溶于5 m LiTFSI-H₂O），这种低浓度电解质继承了WIS电解质的宽电化学稳定窗口和安全性优势，同时成功地克服了其动态特性慢、低温性能差和成本高的缺点。

该论文的第一作者为中国科学院物理研究所的岳金明博士后，第二作者为我校能源学院冯光教授团队的硕士研究生张锦凯。该项目得到了湖北省自然科学基金（2020CFA093）和华中科技大学学术前沿青年团队项目的支持。