先进水系锂离子电池-高稳定性紫外光固化凝胶聚合物电解质

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背景

因高能量密度、高功率密度、长循环寿命，锂离子电池（LIBs）现已发展成为便携式电子产品、电动汽车和电网储存的首选能量转化与存储设备。现今，LIBs依然依赖于有机电解液，因其能够维持电芯电化学所需的高电压窗口。然而，这些有机电解液却含有易燃、有毒、高度反应活性的锂盐和有机溶剂，加之富氧阴极材料，给电芯制造和运行带来了诸多限制和安全问题。

设计与使用更安全的替代品来取代传统有机电解液一直是研究的重点和热点。其中，固态电解质是不使用有机溶剂的，尽管在提高其室温导电性上取得了一定进展，但是其与多孔电极间的界面问题却一直存在；而离子液体虽说是非常稳定和不易燃烧的，但是它们也具有诸如高粘度、低离子导电性、合成复杂以及与阳极石墨兼容性差的弊端。

使用水替代电解液中的有机溶剂是一种直观性的解决办法，因为水的安全性，对锂盐的溶解性和电导性都比较好。事实上，LIBs用的水系电解液很早就被提出来了。水的电化学稳定窗口（～1.2 V）狭窄限制了水系锂离子电池的电压（< 2 V）和能量密度（< 70 W h Kg-1）。近期，浓缩水系电解液，称之为“水在盐中”和“水在双盐中”（WiS和WiBS）取得了一些突破。加入一种或几种高摩尔浓度锂盐可以改变水的溶剂化作用和抑制其电化学活性，从而将水的电化学稳定窗口扩大到3.0 V。虽然将WiBS和新型阳极钝化膜结合已经可以开发出概念验证性的4.0 V电芯，但是对于无钝化阳极而言，WiBS的阴极极限仍然过高，这就限制了它们的实际应用，只能够用于极少数且非商业化的阳极。

亮点

在此，美国约翰霍普金斯大学Konstantinos Gerasopoulos教授团队以“UV-cured gel polymer electrolytes with improved stability for advanced aqueous Li-ion batteries”为题在著名化学期刊Chemical Communications报道了一种高稳定性的紫外光固化凝胶聚合物电解质，并成功应用于水系锂离子电池。论文中，在WiBS存在的情况下，研究者利用紫外光（UV）调控水溶性丙烯酸酯的聚合反应，开发出一种稳定的WiBS基水凝胶聚合物电解液（GPEs），克服了液体WiBS的局限性。虽然关于UV GPEs在LIBs中的应用早有报道，但是这回是首次报道WiBS与UV GPEs，同时对单体的选择和评估展开了合理的设计，以期提高GPEs和电池的离子导电性、机械性能和电化学稳定性。我们首次证明了Li4Ti5O12（LTO）——目前市场上一种广泛使用的低成本阳极材料——可以在WiBS GPE锂离子全电池中可靠的循环数百圈（> 100 cycles），并且其库伦效率要超出其他相当倍率和活性材料负载量的浓缩水系电解液的电池。这标志着此类新型过饱和水系凝胶聚合物电解液从概念性验证过渡到实际应用上取得了重大的进展。

图文速递

图1显示了这类水系GPEs的合成与设计路径。通过优化GPE的配方，得到了W-GPE（WiBS-GPE）和C-W-GPE（Concentrated-WiBS-GPE）。