方淳副教授、韩建涛教授，Small 研究文章：基于无机水合熔融盐电解质的高倍率高稳定混合锂/钠离子电池- 大数跨境

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方淳副教授、韩建涛教授，Small 研究文章：基于无机水合熔融盐电解质的高倍率高稳定混合锂/钠离子电池

科学材料站

2021-09-03

导读：本文制备了一种新型低成本室温无机水合熔融盐电解质（RTMS），将电化学窗口扩宽至3.1V。

文章信息

基于无机水合熔融盐电解质的高倍率高稳定混合锂/钠离子电池

第一作者：王铮莹

通讯作者：方淳*，韩建涛*

单位：华中科技大学

研究背景

目前，锂离子电池已经广泛应用在火力、风力和太阳能电站等储能电源系统，以及电动工具、电动自行车、电动汽车、军事装备、航天航空等多个领域。然而，随着应用场景的不断扩展以及应用要求的提高，其安全问题随着能量密度的增加而日益突出，尤其是在电动汽车和固定性储能应用中。易燃和有毒的有机电解质是锂离子电池安全隐患的主要来源。使用水系电解质的水系离子电池受到越来越多的关注和研究。

水系电解质由于不易燃，更绿色环保，因此受到越来越多的研究者关注。然而，传统水系电解质电化学稳定窗口窄（~1.23V）。主要受限于其中游离的自由水的活性，不仅影响电极的工作电位，还影响着电极容量的发挥。因此，突破水系电解质的热力学限制一直是个科学挑战。以“water-in-salt”为主的水系电解质近年来受到研究者的青睐并得到了广泛研究。

高浓度有机锂盐的存在，降低了水的活性，大大拓宽了传统水系电解质的电化学窗口。然而，该有机电解质成本高，且有机锂盐具有一定的腐蚀性。本篇研究文章制备了一种室温无机水合熔融盐电解质，不仅拓宽了电化学窗口，而且使用了无机的锂盐和钠盐，极大地降低了电解质的成本，更加绿色环保。同时，基于该室温熔盐电解质，组装的混合锂/钠离子电池表现出优异的电化学性能，为大规模储能提供新的选择。

文章简介

基于此，来自华中科技大学的方淳副教授、韩建涛教授，在国际知名期刊Small上发表题为“A High Rate and Stable Hybrid Li/Na-ion Battery Based on a Hydrated Molten Inorganic Salt Electrolyte” 的研究文章。

本文制备了一种新型低成本室温无机水合熔融盐电解质（RTMS），将电化学窗口扩宽至3.1V。对RTMS进行MD动力学模拟，其不含游离水的特殊结构表明，NO3--Li- H2O链中的Na+与NO3-结合更紧密，从而释放出更多的Li+。基于RTMS电解液的锂/钠离子混合电池性能优异，具有良好的经济效益。

本文要点

要点一：一种新型无机室温水合熔融盐电解质

将LiNO3·3H2O 和NaNO3 按一定比例混合，在35摄氏度下加热互溶在室温下形成均质稳定的透明溶液。使用MD分子动力学模拟和PDF原子对分布函数对RTMS结构进行了详细的计算和说明，得到含NO3--Li- H2O链的特殊熔融盐结构，其中Na+与NO3-结合更紧密，从而释放出更多的Li+，达到较高的Li+迁移率。

要点二：碱金属普鲁士蓝作为高度可逆的正极材料

选择对水敏感的钴铁普鲁士蓝作为正极材料，进一步说明RTMS电解质的特殊结构和电化学性能。利用XRD和XPS对循环充放电过程中NaCoHCF电极材料的结构变化和充放电机理进行研究。

由于RTMS中几乎没有游离的自由水，所以NaCoHCF电极材料晶体结构在充放电过程中含有较少的晶格水，碱金属离子周围没有极性水分子的静电屏蔽作用，因此在RTMS电解质中，普鲁士蓝框架离子与金属离子之间的静电作用力比在20M LiNO3电解质溶液中强，在充放电过程中产生单斜相过渡立方相立方相的可逆相变。

要点三：电化学性能优异的NaCoHCF/PTCDA混合锂/钠离子电池

基于RTMS电解质，用钴铁普鲁士蓝NaCoHCF正极和苝-3，4，9，10-四羧酸二酐PTCDA负极制备了一种Li/Na混合离子全电池。采用RTMS电解质的全电池具有优异的电化学性能。在1C时容量高达130mAh/g，在20C时容量达到90mAh/g，3C的500次长循环中，容量保持率为94.7%。

这些优异的性能归功于RTMS独特的结构，其具有较宽的电化学窗口、无溶剂化水的结构和较高的Li+迁移率，使得NaCoHCF和PTCDA均具有较高的Li插入和脱嵌能力。

文章链接

A High Rate and Stable Hybrid Li/Na-ion Battery Based on a Hydrated Molten Inorganic Salt Electrolyte

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202101650

通讯作者介绍

韩建涛教授。

华中科技大学材料学院教授、博士生导师，致力于低成本、长寿命储能电池研究，师从于著名锂电池科学家德州大学奥斯汀分校 Goodenough 教授，从事高比能锂离子电池正极材料研究；在美国Los Alamos国家实验室期间从事新型锂离子电池固态电解质研究；在美国Pellion科技公司从事高能量密度镁离子电池研究；2014年回国，围绕当前储能领域重大需求及技术断裂点，参与完成国家级科研项目4项，在研、参与科技部863重点项目1项，在研参与国家重点研发计划1项，申请美国发明专利1项，申请中国发明专利20余项，国际著名学术期刊上发表学术论文60余篇，其中包括J. Am. Chem. Soc.，Adv. Mater.，ACS NANO, Chem. Mater.，等国际刊物，担任ACS、Wiley、RSC、Springer等20余种SCI期刊审稿及仲裁审稿人。

方淳副教授。

华中科技大学，副教授，主要从事高比能锂离子电池、快充锂离子电池、超低温电池、新型功能电解液、全固态电池等新能源热门领域的研究，在水系钠离子电池产业化方面有丰富的经验，主持和参与多项国家自然科学基金项目，参与国家重点研发计划1项，，在国际著名学术期刊上发表学术论二十余篇，其中包括Chem， Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy. Mater.等顶级国际刊物。

第一作者介绍