『AFM』南昌大学王涛 费林峰&港城大支春义团队:高压水系锂离子电池中两性离子低聚物的有效水约束和双电解质-电极界面

学术   2024-10-28 08:00   湖北  

全文摘要

水系锂离子电池(ALIB)因其固有的安全优势而引起了人们的极大兴趣。然而,水本身的电化学稳定性窗口(ESW)很窄,限制了ALIB的能量密度。南昌大学王涛副教授 费林峰教授&香港城市大学支春义教授团队展示了一种低分子量两性离子低聚物 oligo(propylsulfonate dimethylamium propylmethaclamide) (OPDP)作为高压ALIB的有效水结合剂。OPDP可以有效地限制水分子,同时减少水活度。基于OPDP的电解质具有25.4%的超高水重百分比,具有高达3.26 V的出色ESW和高达3.18 mS cm-1的离子电导率。此外,使用OPDP基电解质的Mo6S8//LiMn2O4水系电池在0.5 C下循环200次后,容量保持率达到99.7%,库仑效率(CE)高达98.7%,比能量为88-101 Wh kg-1。这些表征表明,在通过两性离子低聚物中N、S和O杂原子的循环过程中,已经构建了强大的有机-无机杂化阴极/阳极-电解质界面,导致氢/氧析出反应受到抑制,并实现了全电池的高性能。这项工作为开发低成本和高电压的水系电池提供了一种有前途的策略。

图文速递







图1

循环电池中寡氮离子基电解质中OPDP-水相互作用的示意图,离子迁移通道的形成,以及Mo6S8上SEI和LMO上CEI的形成。







图2:2m-OPDP-xH2O (x=146、65、38、24、16、11或7)电解质的表征

a)在扫描速率为1 mV s-1的铂箔上,用LSV测试测定2m-OPDP-xH2O、2m-0OPDP和2m-PEG-0.16H2O 的ESW。b)2m-OPDP-xH2O、2m-0OPDP和2m-PEG-0.16H2O电解质在25℃的离子电导率比较。c)2m-OPDP-11H2O电解液,几种典型的WiSE(以球体表示)和“水中盐”电解质(由四面体表示)之间的水质量比、离子电导率和ESW的比较。d)25℃时2m-OPDP-xH2O和2m-0OPDP电解质1H NMR谱中H2O的1H位移。e)2m-OPDP-xH2O和2m-0OPDP电解质的拉曼光谱。f)2m-OPDP-xH2O和2m-0OPDP电解质的FTIR光谱。g,h)MD模拟期间电解质的快照和部分放大的视图,以说明电解质结构。g)2m-0OPDP;h)2m-OPDP-11H2O;i)2m-OPDP-11H2O中Li-O(-C=O)、Li-O(H2O)、Li-O(TFSI)和Li-O(SO3)的径向分布函数(RDF)和相应的配位数n(r)。j)2m-OPDP和2m-OPDP-11H2O在RDF和H(H2O)-O(H2O)的n(r)中的比较。







图3:使用2m-OPDP-11H2O的Mo6S8//LMO全电池的电化学性能

a)0.5 mV s-1下LMO和Mo6S8的CV曲线。灰色虚线表示分别在Al(负)箔和Ti(正)箔上获得的电解质的电化学稳定性。b)0.5C下Mo6S8//LMO电池第1、50、200次循环的电压分布图。c)Mo6S8//LMO电池在1C下的循环稳定性和CE。500次循环后,电池的容量保持率为93.2%。d)Mo6S8//LMO电池的速率性能。e)Mo6S8//LMO电池在10C下的循环稳定性和CE。f)使用2m-OPDP-11H2O电解质的全电池与几种报道的使用WiSE(以方形表示)、“无氟”水溶液电解质(以四面体表示)或“水中盐”电解质(以球体表示)的典型全电池之间的容量保留比较。







图4:LMO阴极上CEI的表征

a)在1C条件下,LMO电极50次充放电循环前后的HR-TEM图像。b)50次循环后LMO电极收集的F 1s、C 1s、O 1s、N 1s和S 2p区域的反卷积XPS数据与Ar刻蚀时间的关系。c)LMO上CEI复合材料示意图。







图5:Mo6S8阳极上SEI的表征

a)在2m-OPDP-11H2O中,分别以玻碳为工作电极,Pt为反电极,Ag/AgCl为参比电极,重复CV测量(1 mV s-1)。b)Mo6S8电极在1C下50次循环前后的HR-TEM图像。c)Mo6S8电极经过50次循环采集的F 1s、c 1s、S 2p、N 1s和O 1s区域的反卷积XPS数据与Ar刻蚀时间的函数关系。


研究结论

综上所述,本文在低盐浓度为2 m的ALIBs中开发了一种基于OPDP的水溶液电解质。由于OPDP优异的水化性能,OPDP基水溶液的HER和OER电位得到了显著的扩展。因此,2m-OPDP-7H2O电解质的整体ESW扩展到3.9 V。此外,由于两性离子基团促进离子传输,2m-OPDP-11H2O具有高达25.4 wt.%的高含水量,具有3.18 mS cm-1的高离子电导率。研究还证实,SEI和CEI在LiMn2O4//Mo6S8全电池中有效形成,为HER和OER提供了额外的动力学屏障。基于上述优势的协同效应,LiMn2O4//Mo6S8全电池在0.5C下循环200次后的容量保持率为99.7%,在10C下循环2000次后的容量保持率为89%,具有较高的CE。这种两性离子低聚电解质为水锂电池实现高性能提供了一种可行的解决方案。这种低分子量低聚物的设计原理也可以广泛应用于其他类型的水系电池。

原文链接

Effective Water Confinement and Dual Electrolyte–Electrode Interfaces by Zwitterionic Oligomer for High-Voltage Aqueous Lithium-Ion Batteries

Yinyan Deng,Chunxian Xing,Chuan Li,Yangbo Zhou,Zhiping Peng,Linfeng Fei*,Chunyi Zhi*,Tao Wang*
https://doi.org/10.1002/adfm.202416566




水系能源
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