图5 LiMn2O4||Li4Ti5O12软包电池的电化学性能:在面容量为(a)1.5 mAh cm-2和(b)2.5 mAh cm-2下,LiMn2O4||Li4Ti5O12软包电池在1 C的循环稳定性;(c)在面容量为2.5 mAh cm-2下,Li1.5Mn2O4||Li4Ti5O12软包电池在1 C的循环稳定性;(d)不同盐浓度的典型水系电解液的稳定电化学窗口比较;(e)基于4.5 m电解液的水系锂离子电池与其他商业化水系电化学储能技术的比较。进一步,测试了LiMn2O4||Li4Ti5O12软包电池在面积容量为1.5 mAh cm-2下的循环性能。如图5a所示,在1 C下循环1000圈后,容量保持率达到了88%,平均库伦效率达到99.97%,比迄今为止报道的其他水系电解质的性能要好得多。当面积容量从1.5 mAh cm-2增加到2.5 mAh cm-2,如图5b所示,过电位仅发生略微增加,且在循环500圈后容量保持率达到了72%。同时,可以看到,电池的首圈库伦效率很高,在50圈循环后库仑效率便迅速上升到99.9%,说明前几圈循环形成的SEI有效抑制了水的分解。由于LiMn2O4可以被可逆地进一步锂化为Li1.5Mn2O4,因此进一步使用富Li的Li1.5Mn2O4作为正极,可以有效减少初始容量衰减带来的影响,如图5c所示。Li1.5Mn2O4||Li4Ti5O12软包电池在初始SEI的形成,以及之后的长期循环中,都能获得优异的容量保持率,而不会损害电池的能量密度。在不使用超浓盐的情况下,本文所报道的三元共晶电解液的电化学稳定窗口,可扩大到3.3 V,优于其他文献报道的结果。最后,考虑到一些其他因素,包括电压、倍率性能、环境友好性和循环寿命,可以看出,这种基于4.5 m电解液的水系锂离子电池,可以超过目前的商业水系电化学储能技术,包括铅酸电池、镍镉电池和镍氢电池。【总结与展望】综上所述,本文开发了一种4.5 m LiTFSI-KOH-CO(NH2)2-H2O电解质,其可将稳定电化学窗口扩展至3.3 V。通过添加不易燃的CO(NH2)2来取代LiTFSI,并进一步将Li+溶剂壳中的H2O数量从WISE的2.6减少到0.7。与LiTFSI盐一样,CO(NH2)2与H2O形成了强的CO(NH2)2···H2O相互作用,巧妙地取代了Li+主溶剂壳中的H2O位置,并有助于形成由有机物外层和富含LiF的内层共同组成的复合SEI。基于4.5 m LiTFSI-KOH-CO(NH2)2-H2O电解质的LiMn2O4||Li4Ti5O12软包电池,显示出优异的电化学性能,在面积容量达2.5 mAh cm-2和低的P/N容量比下,循环500圈后电池容量保持率达到72%。此外,将富Li的Li1.5Mn2O4来取代LiMn2O4,以弥补SEI形成过程发生的Li损耗,Li1.5Mn2O4||Li4Ti5O12电池将转变为LiMn2O4||Li4Ti5O12电池。这有效提高了电池的循环稳定性,在循环470圈后,容量保持率达92%。最后,在实际应用中,高安全性和低成本是至关重要的,这种电解液的设计策略为扩大电化学稳定窗口、将水系锂离子电池推向实际应用提供了一条有前途的途径。【文献信息】Aqueous electrolyte design for super-stable 2.5 V LiMn2O4 || Li4Ti5O12 pouch cells(Nature Energy,2022,DOI: 10.1038/s41560-021-00977-5)链接:https://www.nature.com/articles/s41560-021-00977-5清新电源投稿通道(Scan)