俄勒冈州立大学纪秀磊团队Angew综述: 水系电池中的固态电解质界面层

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综述背景



水系电池因具备高安全性，低成本和可持续性而成为未来电池市场的潜在重要组成。但是相较于传统有机电解液，水系电解液过窄的电化学窗口严重限制了全电池的能量密度，同时水的电解会缩短电池寿命甚至会引起安全隐患。常用的热力学策略包括高浓电解液无法完全解决电池循环过程中水电解或者电极腐蚀的问题。因此，越来越多的注意力转移到了在电极表面构建固态电解质界面层，从动力学角度来提高水系电解液的有效电压。
近日, 俄勒冈州立大学的纪秀磊教授课题组在Angewandte Chemie上发表相关综述，从机理角度总结了水系电解质中原位形成固态电解质界面层(EI膜)的策略，并对该领域发展提出了展望。第一作者为博士研究生隋一明。
 

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综述要点


⭐介绍了水系电解液中EI膜的形成机理


⭐总结了水系电解液中EI膜的主要成分和来源

⭐提出了预测EI膜形成电压的新方法

⭐介绍了本领域尚未解决的问题和对未来发展的展望


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图文导读


与传统非水系电解液不同的是，水分解的产物不会参与形成电极表面的钝化层。因此，水系电解液中产生EI膜需要依赖额外的电解液成分，例如阴离子、共溶剂、或者添加剂。理想的EI膜由双层结果组成，其中内层主要成分是无机物，而外层主要由高疏水的有机物组成，能有效阻止水对电极和EI膜中无机层的腐蚀。

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图1. a) EI膜的示意图。b) EI膜双层结构示意图。


通常正极负态电解质界面层 (SEI) 和正极固态电解质界面层 (CEI)是通过前驱体在电池充电过程中的电化学氧化和还原来形成的。除此之外，文章还总结了通过原位化学反应产生EI膜的相关方法及其特点。在电化学形成机理中，通常认为SEI和CEI的形成电位是由前驱体的LUMO和HOMO能级决定的，而在本文中作者提出另一种预测形成电位的方法，即由产物和反应物的吉布斯自由能的差值来决定，影响因素包括反应物的种类及其性质、反应物和产物的化学环境，以及反应路径。

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图2. 影响EI膜形成电压的热力学因素。


除了对电解液成分的优化，相关研究还需着眼于开发先进的表征方法，结合模拟计算来研究EI膜的成分和结构，用以优化EI膜对电极的保护性能。同时，我们还需考虑EI形成方法的成本和安全性，为将来大规模应用做好准备。



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总结与展望

本文总结了基于各种载流子的水系电解液中构建固态电解质界面的典型工作。理想的EI膜需具有优良的防水性、高离子导电率、和低电子导电性。此外，EI膜应具备适当的厚度和稳定性以保证电池循环过程中对电极的有效保护同时减少生成过程对库伦效率的影响。从机理角度，我们应探索EI膜的形成机理和有效成分。从应用角度，我们应通过对电解液的过程学设计来最大限度提高电池的性能，同时从成本、安全性、实际应用环境等方面评估生成EI膜的方法。
 

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文献信息


Electrolyte Interphases in Aqueous Batteries, Yiming Sui, Xiulei ji*, Angew. Chem. Int. Ed., 2023, DOI: 10.1002/anie.202312585

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