突破浓度限制，西湖大学王建辉/刘仕团队最新成果：2.6 m低浓度电解液赋能高能量密度水系锂离子软包电池

随着电动汽车与大规模储能产业发展，市场对电池提出了"性能、成本、安全"多重严苛要求。商用非水系锂离子电池虽占主导，但其电解液易燃有毒、生产环境湿度要求严苛、能耗高的痼疾日益凸显。相比之下，水系锂离子电池凭借本质安全、环境友好、生产环境相对温和等优势，被视为下一代潜力储能方案。然而，水系电池商业化长期受困于两大痛点：一是水的电化学稳定窗口窄（约1.23 V），负极低电位区易发生析氢反应；二是缺乏水环境中结构稳定且高比容量的负极材料。这致使现有水系电池能量密度不足非水系电池的三分之一。铌基氧化物（如NbO₂）对水环境稳定、体积应变小、理论比容量高（>300 mAh g⁻¹）具有超越常规钛基负极材料的潜力。但其工作电位（1.0-2.0 V vs. Li⁺/Li）超出传统水系电解液稳定窗口。此前学界多采用"盐包水"高浓度电解液策略，虽能抑制水分解，却依赖大量双三氟甲基磺酰亚胺锂盐（LiTFSI），成本高昂。如何在降低锂盐浓度前提下实现宽电压窗口与高比能电极兼容，成为水系锂电产业化的关键难题。

西湖大学王建辉与刘仕合作团队长期致力于锂电池电解液创新设计，系统开展分子工程调控电解液性能研究。代表工作包括：研发核-壳溶剂化结构的局域超高浓度水系电解液（Joule 2022高被引封面论文 doi: 10.1016/j.joule.2022.01.002），实现3 V级铌基水系锂离子电池稳定循环；提出供体数描述符指导局域高浓度非水系电解液设计（ACS Energy Letters 2023高被引封面论文doi: 10.1021/acsenergylett.3c00004）。近期，团队受邀在ACS Energy Letters创刊十周年特刊"The Evolving Landscape of Energy Research: Insights from Leading Researchers"发表最新成果，将研究重点从高浓度策略转向低浓度体系，旨在更有效地解决水系锂离子电池能量密度与实用经济性的矛盾，为下一代高能量密度、高安全水系电池提供更好的解决方案。

• 非对称分子构型的甲基脲（MU）相比对称尿素（U）具有更松散的晶体排列与较低的晶格能，能显著拓宽盐-水-有机分子三元体系的液相范围，尤其是低盐浓度区域，为开发低浓度、高性能的水系电解液打开了新空间
• 相比高浓度电解液（MU_0.4），优化的2.6 m电解液（MU_0.72）锂盐用量降低68%，在显著降低体系粘度和密度的同时，保持较好的离子传导性和本质不可燃特性

• 2D-NMR、拉曼光谱、AIMD模拟结果表明，具有供体-受体双官能团的MU打破了水的氢键网络结构，获得了新的溶液结构锂离子的内层溶剂化鞘由MU和TFSI⁻组成，外层水分子被MU锚定显著降低水活度
• 独特溶剂化结构使TFSI⁻和MU的LUMO能级低于水，优先还原分解，形成外有机-内无机双层SEI，有利于抑制低电位的析氢副反应

• 电化学稳定窗口拓宽至3.3 V，负极稳定性极限延伸至1.2 V vs. Li⁺/Li，成功实现与低电位NbO₂负极的适配
• 在2.6 m低盐浓度条件下，同时支持低电位NbO₂负极和高电位LiCoO₂、LiMn₂O₄正极的可逆锂离子嵌入/脱出反应，性能超越多数高浓度或水-有机复合体系

• NbO₂|LiCoO₂和NbO₂|LiMn₂O₄软包电池分别实现184 Wh kg−1和161 Wh kg−1的高能量密度（基于正负极活性物质计算），优于文献报道的水系锂离子电池
• 严苛测试条件下（P/N=1.2）表现出优异的循环稳定性与抗自放电能力：满充态静置24 h容量保持率96%，0.25 C低电流密度循环150次容量保持率>80%

本工作提出供体-受体分子不对称设计策略，通过调控溶剂化结构和拓宽液相区域成功构建了宽电压窗口低盐浓度水系电解液，在保留水系电池本质安全、低成本优势的前提下，有效抑制低电位析氢副反应，实现与高比容量NbO₂负极的良好兼容，显著提升水系电池能量密度。这一策略为开发兼具高安全性与高能量密度的实用化水系锂离子电池提供了一条简单有效的技术路径，未来有望拓展至其它储能体系，进一步推动高性能水系电池技术发展。