国科温研院谭颖教授、南科大李一举教授， AM：一种用于高压水系锂离子电池的绿色不对称双环共溶剂分子

第一作者：王燕

通讯作者：裴小朋*，李一举*，谭颖*

单位：国科温州研究院，南方科技大学，中国地质大学

水系锂离子电池具有安全性高、环境友好等优点，是大规模储能的候选材料。然而，水固有的狭窄的热力学电化学稳定窗口（1.23 V）限制了其实际应用。将水系电解液与有机共溶剂分子杂化被认为是一种可以扩大水系电解液电化学稳定窗口的有效策略，但大多数报道的有机共溶剂通常易燃且有毒。因此，在不牺牲水系电解液安全性的情况下获得较宽的电化学窗口（≥4 V）仍然是一个巨大的挑战。本文报道了一种生物基异山梨醇二甲醚（IDE）杂化的水系绿色电解液体系。IDE的不对称双环分子结构可以诱导形成大的空间位阻并有效调控电解液的溶剂化结构，同时IDE的多个氧原子可以调控电解液的氢键网络，从而显著提高水系锂离子电池的循环性能。

近日，来自国科温州研究院的谭颖研究员团队与南方科技大学的李一举教授合作，在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“A green asymmetric bicyclic co-solvent molecule for high-voltage aqueous lithium-ion batteries”的文章。通过选取具有特殊不对称双环分子结构的生物基异山梨醇二甲醚作为共溶剂，报道了一种新型的高压、不可燃、无毒的低盐浓度(1.85m)的水系锂离子电池电解液。

异山梨酯二甲醚(IDE)具有独特的三维空间分子结构和两个不共面的环，在降低H₂O活性和调控杂化水系电解液的溶剂化结构方面发挥着重要作用。通过核磁、拉曼表征及理论计算发现，IDE参与锂离子的溶剂化壳层，锂离子通过面内的-OCH₃和面内的另一个环醚上的氧原子结合，形成五元环结构。同时，IDE的三维空间双环分子结构引起的空间位阻效应削弱了其与锂离子的溶剂化能力，使更多的阴离子进入锂离子溶剂化化壳并与锂离子配位，形成丰富的离子对，从而生成富含无机氟化物成分和由IDE衍生的弹性有机链段的坚固的SEI层，以提高水系锂离子电池的循环性能。此外，IDE还可以通过面内环醚上的氧原子和面外-OCH₃的氧原子作为氢键接受位点调控H₂O分子间的氢键网络，从而降低H₂O分子的活性，扩大杂化水系电解液的电压窗口。

所设计的电解液具有优异的热稳定性、浸润性和阻燃性。与已报道的杂化水系电解液相比，具有更宽的电化学稳定窗口，并且在成本、安全性和环境友好性方面显示出更大的优势。

所设计的电解液组装的LTO||LMO全电池表现出优异的循环性能，同时在低温0℃下也能稳定循环。

通过XPS表征，发现所设计的电解液随着刻蚀深度的加深，由TFSI−阴离子分解的LiF含量增加，而IDE衍生而来的有机物和Li₂CO₃的含量几乎保持不变。SEI膜中的无机成分能够增加膜的机械强度和加速Li⁺的传输，而有机成分能增加膜的韧性。因此，这种既富含无机物的SEI层，同时又含有IDE衍生的弹性有机物成分，不仅能够有效地抑制H2O的分解，而且具有很高的强度和柔韧性，可以保持其结构完整性，从而避免膜破裂并暴露其新鲜表面，从而有效抑制了循环过程中的副反应。同时TEM表征发现SEI膜均匀致密，能够有效的抑制水的分解。

A green asymmetric bicyclic co-solvent molecule for high-voltage aqueous lithium-ion batteries”

裴小朋副研究员简介：国科温州研究院副研究员。主要从事高性能电解质材料设计与开发，包括功能化电解质溶剂和添加剂的设计，聚合物基固态电解质，绿色水系电解质等研究。目前在Adv. Mater., Angew Chem. Int. Ed., Acs Macro lett., J. Hazard. Mater.等期刊发表多篇论文。

李一举教授简介：南方科技大学机械与能源工程系助理教授，博士生导师。主要从事金属离子电池、功能电解液、固态电池等研究。目前在Joule, Matter, Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater., Angew Chem. Int. Ed., Sci. Bull., PNAS, Nano Today, ACS Nano, Nano Lett., Adv. Funct. Mater., Nano Energy, Energy Storage Mater.等国内、外学术期刊上发表论文100余篇。论文总引用18000余次（Google Scholars），H指数62。2020年-2023年连续四年入选“全球高被引科学家”和全球前2%顶尖科学家（斯坦福大学）“终身科学影响力排行榜”。主持国家自然科学基金项目、广东省自然科学基金项目、中国博士后创新人才支持计划（国家第三批博新计划）、中国博士后自然科学基金面上项目（一等）等。长期担任Nat. Commun., Adv. Mater., Adv. Energy. Mater., Energy Environ. Sci., Coord. Chem. Rev.等期刊独立审稿/仲裁人，并担任Journal of Energy Chemistry, Chinese Journal of Structural Chemistry, Chinese Chemical Letters等期刊青年编委。

谭颖研究员简介：国科温州研究院研究员，生物基功能材料课题组组长。主要研究方向为生物与环境友好高分子材料的基础研究与应用开发。目前在Adv. Mater., Angew Chem. Int. Ed.，Green Chem. 等期刊发表SCI论文60余篇，主持国家自然科学基金项目、中科院STS项目、企业横向合作项目等20余项。