​温研院/南科大AM：绿色不对称双环共溶剂分子用于高压水系锂离子电池

电解质水溶液与有机共溶剂共混，同时减少盐的使用量可有效扩大电解质的电压窗口，但报道的共溶剂大多是易燃和有毒的，很难实现安全性和电化学性能的兼容。

在此，中国科学院大学温州研究院谭颖、裴小朋，南方科技大学李一举等人利用绿色助溶剂异山梨醇二甲醚（IDE）报道了一种新型不易燃、无毒的低盐浓度（1.85 M）水系电解质。由于其独特的三维分子结构，IDE 可以通过结合锂离子形成五元环结构。同时，IDE的3D空间分子结构引起的空间位阻效应削弱了其与Li离子的溶剂化能力，使更多的阴离子参与到Li离子的初级溶剂化鞘中，从而在含有弹性IDE衍生的有机物的同时产生坚固且均匀的富LiF SEI层。

此外，IDE 中的多个 O 原子可有效调节分子间氢键网络，降低 H₂O 分子活性，扩大电化学窗口。IDE 所具有的这种独特的溶解结构和优化的氢键网络可有效抑制电极/电解质界面副反应，实现4.3 V的电压窗口。所开发的Li₄Ti₅O₁₂(LTO)||LiMn₂O₄(LMO)全电池在 2 C 条件下可循环450次以上，具有出色的循环性能。

图1. 电解质的物化性能

总之，该工作通过利用具有特殊不对称双环分子结构的可持续、可生物降解的共溶剂IDE，开发了一种新型不易燃、无毒的低盐浓度（1.85 M）水系电解质。由于IDE具有两个非平面环的独特3D空间结构引起的空间位阻效应，其与Li离子的溶剂化能力减弱允许更多阴离子参与Li离子的初级溶剂化鞘，形成大量离子对从而生成稳定的SEI（包含阴离子衍生的富含氟化物的成分和 IDE 衍生的弹性有机物）以提高电池性能。

该工作设计的1.85 M低盐浓度电解质通过抑制水的分解，将电化学窗口显着扩展至 4.3 V，正极极限高达 0.8 V（相对于 Li/Li），并在 2 C 下实现 450次的稳定循环，平均库仑效率99.35%。因此，该工作所提出的绿色IDE溶剂为开发低盐混合水系电解质提供了一条途径。

图2.电池性能

A Green Asymmetric Bicyclic Co-Solvent Molecule for High-Voltage Aqueous Lithium-Ion Batteries, Advanced Materials 2024 DOI: 10.1002/adma.202311009