新材料學(xué)院發(fā)現(xiàn)新型鋰電池高電壓水系電解液并揭示其微觀機(jī)理
? ? 鋰離子電池作為清潔能源，被廣泛應(yīng)用于日常電子產(chǎn)品、人工智能、電動(dòng)汽車(chē)、無(wú)人機(jī)等前沿科技領(lǐng)域。隨著商用鋰電池的快速發(fā)展，其安全性能也越來(lái)越成為人們最關(guān)心的問(wèn)題。傳統(tǒng)鋰離子電池均采用有機(jī)電解液，但有機(jī)電解液成本高、有毒、易燃易爆等無(wú)法克服的缺點(diǎn)，直接影響了商用鋰離子電池的成本和安全性能。如果用水做電解液，則可徹底克服有機(jī)電解液所面臨的問(wèn)題，但由于水的電壓窗口只有1.23V，成為限制水系鋰離子電池商業(yè)應(yīng)用的核心因素。雖然在1994年加拿大著名鋰電池科學(xué)家J. R. Dahn提出水系鋰離子電池，但世界科學(xué)家一直未能找到提高水電解液電壓窗口的有效方法，直到最近由馬里蘭大學(xué)和美國(guó)陸軍實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家在《科學(xué)》上聯(lián)合發(fā)表一項(xiàng)工作，發(fā)現(xiàn)采用溶解度極高的鋰鹽制作超濃鹽溶液可以大大提高水電解液的電壓窗口。但他們找到的這種溶解度極高的鋰鹽非常昂貴，而且未能從微觀上很好的解釋打開(kāi)水電解液電壓窗口的機(jī)理。
圖1 ?LiNO3稀溶液與濃溶液的同步輻射PDF測(cè)量及其微觀分子結(jié)構(gòu)對(duì)比
? ?北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院潘鋒教授團(tuán)隊(duì)最近發(fā)現(xiàn)LiNO3的超濃鹽溶液，電壓窗口可增加至2.55V，并發(fā)現(xiàn)了超濃鹽溶液的結(jié)構(gòu)及對(duì)電化學(xué)窗口拓寬時(shí)的熱力學(xué)貢獻(xiàn)及動(dòng)力學(xué)貢獻(xiàn)等微觀機(jī)理，上述研究成果發(fā)表于Cell 姊妹刊Chem上(Chem 2018, DOI:https://doi.org/10.1016/j.chempr.2018.09.004; IF=14.104)。
? ?大規(guī)模應(yīng)用的儲(chǔ)能和動(dòng)力電池材料，要低的成本， LiNO3價(jià)格便宜，團(tuán)隊(duì)研究了水溶液的相圖和相結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在35℃時(shí)可以具有極高的溶解度，將之配成超濃鹽溶液，同時(shí)其溶液包含元素種類(lèi)少，國(guó)際上有發(fā)展很成熟的分子動(dòng)力學(xué)勢(shì)場(chǎng)，方便理論研究。團(tuán)隊(duì)通過(guò)大量的分子動(dòng)力學(xué)模擬和同步輻射光譜測(cè)量，發(fā)現(xiàn)Li離子在稀溶液中絕大部分處于分散狀態(tài)，且每個(gè)鋰離子與4個(gè)水分子結(jié)合形成內(nèi)殼層4配位結(jié)構(gòu)[Li+(H2O)4]。當(dāng)濃度增大后，部分相鄰的[Li+(H2O)4]會(huì)逐漸縮聚形成類(lèi)似于聚合物的(Li+(H2O)2)n鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，且自由的水分子越來(lái)越少，同時(shí)團(tuán)隊(duì)合成了 LiNO3.3H2O晶體并通過(guò)單晶XRD解出結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)該晶體中有(Li+(H2O)2)n鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，因此超濃電解質(zhì)體系與晶體中的Li-H2O環(huán)境具有同構(gòu)性。當(dāng)達(dá)到超濃時(shí)，幾乎所有的鋰離子都以這種鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)存在，且溶液中幾乎沒(méi)有自由的水分子。通過(guò)進(jìn)一步的模擬和電化學(xué)分析，我們發(fā)現(xiàn)正是這種鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，使得水分子的分解變得困難，主要從動(dòng)力學(xué)上打開(kāi)了水溶液的電壓窗口。通過(guò)自主設(shè)計(jì)的在超濃溶液滴加水來(lái)測(cè)量熱力學(xué)的自由能及理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)熱力學(xué)上也有一定的貢獻(xiàn)，但貢獻(xiàn)很小，幾乎可以忽略。這項(xiàng)工作不僅發(fā)現(xiàn)了一種廉價(jià)的可制備超濃水溶液的鹽，同時(shí)從原子水平揭示了超濃水溶液的微觀分子結(jié)構(gòu)，并從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)上將其與水溶液的電壓窗口直接關(guān)聯(lián)，為今后超濃水電解液的設(shè)計(jì)提供了新的思路。
圖2 ?LiNO3稀溶液與濃溶液的電壓窗口和微觀分子結(jié)構(gòu)及熱力學(xué)測(cè)量與理論計(jì)算
? ?本工作由新材料學(xué)院潘鋒教授、鄭家新副研究員指導(dǎo)碩士生談國(guó)禹、單鵬、博士生劉同超共同完成。以上工作得到了國(guó)家材料基因組重大專(zhuān)項(xiàng)(2016YFB0700600)、國(guó)家自然科學(xué)基金(Nos. 21603007 and 51672012)、深圳市科技創(chuàng)新委 (Nos.JCYJ20150729111733470 and JCYJ20151015162256516)的資助支持。
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