發現“關鍵配方”，水系電池有望匹敵鋰電池

《焦耳》2月刊封面   西湖大學供圖

生活中最常見的鋰離子電池，但因其對溫度敏感，一旦電池內部局部過熱，便可誘發一連串放熱反應，甚至起火爆炸……據不完全統計，2021年全國新能源汽車火災事故約3000起，電動自行車火災約1.8萬起，造成巨大的人員安全和財產損失。

面對懸而未決的安全問題，科學家們把目光投向了水系電解液。今年1月，西湖大學王建輝團隊和劉仕團隊在《焦耳》線上發表題為《非對稱供體——受體分子調控的新型核殼溶液結構的新型電解液，助力高電壓水系電池》的研究文章，并在剛剛出版的《焦耳》2月刊中作為封面出現。

論文第一作者是西湖大學博士研究生林銳和博士后柯昌明，通訊作者是西湖大學特聘研究員王建輝和劉仕。

相比目前鋰離子電池使用的有機電解液，水系電解液的安全系數要高很多，不難理解，水系溶液不可燃，這就大大降低了電池燃燒爆炸的風險。

安全性高、制備條件寬松、成本低廉，一直是水系電解液的搶眼優勢。但它的瓶頸同樣突出——電壓窗口窄，限制了電池的能量密度上升空間。例如，常規水系電池，如鉛酸電池、鎳鎘電池的電壓為1-2 V，能量密度只有30-50 Wh/kg，遠低于有機系鋰離子電池（3-4 V，150-250 Wh/kg）。水系電池的能量密度不到鋰離子電池的1/3，因此使用水系電解液的電池在市場上不具備競爭優勢。

如何制備出寬電壓窗口的水系電解液，以實現匹敵有機系鋰離子電池的能量密度？在全新水系電解液中，研究團隊用到了一種“關鍵配方”——甲基脲分子。甲基脲是一種十分常見的化學物質，主要用于有機合成及制藥工業，成本低廉。更重要的是，作為一種不可燃、低毒的物質，甲基脲十分符合制備水系電解液材料的需求。

通過多種原位/準原位表征，以及反復的實驗驗證，加入甲基脲的電解液可以有效抑制水在高/低電位條件下的氧化/還原分解等副反應。在相同測試條件下，研究團隊對比研究了近10種已報道的代表性高電壓水系電解液，結果顯示甲基脲水系電解液具有最寬的4.5V的電化學穩定窗口，是常規水系電解液的2倍多。基于此結果，能夠大幅提高水系電池的能量密度，有望開發出與有機系鋰離子電池相匹敵，并兼顧安全和成本優勢的新型電池。

“結構決定性能。”王建輝團隊和劉仕團隊合作，通過分子層面的模擬計算，深入理解電解液組成、結構與功能之間的聯系。

基于大量數據結果分析和不同尺度下觀察，他們發現了一個獨特的溶液結構，顯著區別于普通水溶液。《焦耳》封面上的水滴，黃綠色的“鹽核”被藍紫色的“有機/水殼”緊緊包裹，共同形成一種名叫“核殼”的溶液結構。王建輝表示，這是一種在固體納米材料中“最常見”的結構，但在液體中發現類似結構令人非常意外，這為調控溶液結構、設計新型電解液，以及后續各種可能的應用研究提供了理論基礎。

相關論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.joule.2022.01.002