相比传统的有机电解质体系，水溶液电解质具备离子电导率高、安全性好、成本低廉等不可比拟的优势。然而，水的电化学稳定窗口十分有限，这限制了其在高能量电池体系中的应用。近年来研究人员通常采用提高锂盐浓度降低溶剂活度的策略来拓宽水的电化学稳定窗口，但是盐浓度的提高无疑会削弱水溶液电解质在传质动力学和成本等方面的优势。近日，美国马里兰大学王春生教授团队借助三元共晶电解质将water-in-salt水溶液体系中盐的浓度降低至4.5mol/kg 溶剂，并验证了其在高压软包水溶液电池中的效果。

本文要点

1）作者首先基于热力学稳定性、安全性和经济性提出了新型水溶液电解质的三点要求：第一点是锂盐和稀释剂必须能够形成坚固稳定的SEI膜从而使得Li₄Ti₅O₁₂负极一侧的稳定电位可以降至1.5V以下。第二点是稀释剂必须能够与水分子及锂盐形成三元共晶态来确保整个电解质体系中的离子传导。第三点是稀释剂必须廉价且不燃。

2）研究人员使用尿素分子作为模型稀释剂进行了研究并设计了一种锂盐浓度只有4.5mol/kg 溶剂的LiTFSI–KOH–CO(NH₂)₂–H₂O三元水溶液共晶体系，该电解质可以将水的电化学稳定窗口拓宽至3.3V, Li₄Ti₅O₁₂负极侧的限制电位可以降至1.5V。 在该电解液中，尿素分子的存在使得锂离子溶剂化层中的水分子数目从2.6降至了0.7，并且KOH可以作为催化剂使得LiTFSI和尿素分子在负极侧分解形成坚固的LiF/聚合物双层SEI膜。

3）在3g/Ah 的贫液态条件和2.5 mAh/cm²的高载量条件下，LiMn₂O₄/Li₄Ti₅O₁₂软包全电池能够在正负极容量比为1.14的设计条件下稳定循环超过470周，同时容量保持率高达92%。

参考文献

Jijian Xu, Xiao Ji, Jiaxun Zhang, Chongyin Yang, Pengfei Wang, Sufu Liu, Kyle Ludwig, Fu Chen, Peter Kofinas & Chunsheng Wang， Aqueous electrolyte design for super-stable 2.5 V LiMn2O4 || Li4Ti5O12 pouch cells, Nature Energy, 2022

https://doi.org/10.1038/s41560-021-00977-5