中科院物理所胡勇胜团队，重磅Nature Energy！

第一作者：Liwei Jiang、Shuai Han、Yuan-Chao Hu.

通讯作者：胡勇胜、陆雅翔、卢怡君、赵君梅

通讯单位：中国科学院物理研究所、香港中文大学、中国科学院过程工程研究所

论文速览

通过选择合适的H₂O-溶质系统，来设计防冻电解液对于低温水系电池（LTABs）至关重要。然而，缺乏基于决定性温度限制因素的有效指南来选择H₂O-溶质系统，阻碍了LTABs的发展。

在此，中国科学院物理研究所胡勇胜和陆雅翔、香港中文大学卢怡君、中国科学院过程工程研究所赵君梅等人员，确定了两个决定性因素：热力学共晶温度（T_e）和动力学玻璃化转变温度（T_g），并且只有当H₂O-溶质系统具有很强的过冷能力时，T_g才适用于LTABs。

研究者提出了一种通用策略，通过引入具有高离子势阳离子（例如Al³⁺、Ca²⁺）的辅助盐或具有高供体数（例如，乙二醇）的共溶剂来创建多溶质系统，从而实现低Te和强过冷能力电解液。

作为Na基系统的演示，设计了具有超低T_e（-53.5至-72.6°C）和Tg（-86.1至-117.1°C）的电解液，展示了电池性能，包括在25°C时80 Wh kg^-1和5000个循环以及在-85°C时12.5 Wh kg^-1的。这项工作为极低温度应用的抗冻电解液设计提供了有效的指南。

图文导读

图1：冷却过程中H₂O-溶质系统中稀溶液的演化示意图以及传统策略和本文提出策略之间的差异。

图2：设计低T_e和强过冷能力水系电解液的方法，包括不同H₂O-盐系统中阳离子的离子势与过冷能力属性的关系，以及H₂O-溶剂系统中溶剂供体数与过冷能力属性的关系。

图3：设计的电解液中低T_e机制的拉曼光谱、平均氢键数目以及不同结构中O_W原子周围的配位物种和数目。

图4：设计的电解液中过冷能力机制的平均平方位移、计算的平均结合能以及典型的局部结构。

图5：电解液中电池性能的测试结果，包括放电曲线、倍率性能和循环稳定性。

总结展望

本研究识别了H₂O-溶质系统中的两个液态到固态低温限制（T_e和T_g），并强调了为极低温度应用设计低T_e和强过冷能力H₂O-溶质系统的重要性。通过引入具有高离子势的辅助盐或高供体数的共溶剂来创建多溶质系统，实现了低T_e和强过冷能力电解液的通用策略。

以Na基系统为例，设计的电解液展现了超低的T_e（-53.5至-72.6°C）和T_g（-86.1至-117.1°C），使得NaFeMnHCF/Na–H₂O–EG/NaTi₂(PO₄)₃全电池在25°C时达到80 Wh kg^-1的能量密度，并在8 C下保持超过5000个循环的70%容量保持率，以及在-60°C和0.05 C下达到63 Wh kg^-1的能量密度。

此外，NaFeMnHCF/Na–H₂O–Ca/PTCDI全电池在25°C时达到65.7 Wh kg^-1的能量密度，在4 C下保持超过250个循环的91.1%容量保持率，在-80°C和0.1 C下达到20 Wh kg^-1的能量密度，以及在-85°C和0.1 C下达到12.5 Wh kg^-1的能量密度。

文献信息

标题：Rational design of anti-freezing electrolytes for extremely low-temperature aqueous batteries

期刊：Nature Energy

DOI：10.1038/s41560-024-01527-5