陈人杰/李月姣/陈楠EES: 通用的“氢键捕获”溶剂策略实现高压水系电池！

水系电池具有离子电导率高、安全、成本低、环境友好等优点，是一种很有前途的电化学储能装置。然而，由于氢和氧的析出，水的窄电化学稳定性窗口（1.23 V）限制了其实际应用。

在此，北京理工大学陈人杰教授、李月姣副教授及陈楠副研究员等人提出了一种选择性“氢键捕获”溶剂的通用策略，其中溶剂应具有孤对电子以提供氢键接收位点并且对水稳定。在这一理论的指导下，作者开发了一种“LiTFSI（TMS）0.5Water”（Li0.5W）电解液（LiTFSI: TMS:水= 1: 0.5: 1），其中使用非水共溶剂TMS作为氢键破坏剂来捕获水分子。

结合广泛的非原位/原位表征和分子动力学（MD）模拟，作者发现 TMS的引入导致水原有氢键网络的破坏，水与TMS之间通过磺酰基氧原子上的孤对电子形成分子间氢键，其中TMS的氧原子作为电子供体，水的氢原子作为质子供体，从而降低了游离水的活性并有效抑制了析氢和电极溶解。这种简单的LiT0.5W电解液配方实现了-85°C的超低凝固点、5.4 V的宽电化学稳定性窗口和-80~60°C的宽温度适应性。

图1. LiT0.5W电解液的电化学稳定性

作为概念验证，作者基于LiT0.5W电解液组装了LiNi_0.5Mn_1.5O₄/Li₄Ti₅O₁₂锂离子全电池。电化学测试表明，3.15 V全电池在25℃、6 C下可实现超过300次循环，初始能量密度高达136 Wh kg^-1（平均为 43.28 Ah kg^-1和 3.15 V）。

此外，基于该LiT0.5W电解液的全电池在25℃、3 C下初始放电容量为144.3 mAh/g，可运行超过150次循环。即使温度降至0°C，该全电池仍可在3 C倍率下超过100次循环后实现79.3 mAh/g的放电容量。甚至在-60℃下，该电池仍具有近20 mAh/g的放电容量。

总之，这项工作为在高压和低温水系电池中开发“氢键捕获”电解液提供了一种有效的策略，为通过改变热力学途径和通过稳定的界面化学形成有效的动力学屏障来抑制HER提供了有价值的见解。

图2. LiNi_0.5Mn_1.5O₄/Li₄Ti₅O₁₂全电池性能

A universal strategy for high-voltage aqueous batteries via lone pair electrons as hydrogen bond-breaker, Energy & Environmental Science 2022. DOI: 10.1039/D2EE00417H