天目Tech+找到关键“配方”西湖大学水系电池研究取得重要进展

从上天入海的大型车辆，到每个人手中的手机、电脑，电池对于这些设备的运行的重要性不言而喻。近年来，随着世界各国制定碳达峰、碳中和的发展目标，人们对安全、环保、高能量密度、低成本电池的需求日益迫切。

电解质是化学电池、电解电容器等中使用的介质。在电池制备中，一些科学家将注意力转向了水系电解质。与锂离子电池目前使用的有机电解液相比，水系电解液的“安全系数”要高得多——水溶液不易燃，大大降低了电池燃烧和爆炸的风险。

《焦耳》封面信息照片由西湖大学提供

如何制备具有宽电压窗口的水系电解质以达到与有机锂离子电池相当的能量密度？由西湖大学特聘研究员王建辉、刘石以及西湖大学博士研究生林锐、博士后柯长明领衔的团队经过三年的努力，近日取得了突破性进展。

今年1月，相关成果在线发表在《焦耳》杂志上，并登上了刚刚出版的《焦耳》2月号封面。西湖大学博士生林锐和柯昌明为该文章的第一作者。

安全性高、制备条件宽松、成本低廉一直是水系电解质引人注目的优势。但其瓶颈同样突出——电压窗口窄限制了电池能量密度提升的空间。

例如，铅酸电池、镍镉电池等常规水性电池的能量密度仅为30-50Wh/kg，不到锂离子电池的1/3。因此，使用水性电解质的电池在市场上不具有竞争优势。。

在新型水性电解质中，研究团队使用了一个关键的“分子式”——甲基脲分子。甲基脲是一种很常见的化学物质，主要用于有机合成和医药工业，成本低廉。更重要的是，作为一种不易燃、低毒的物质，非常适合制备水性电解质材料。

在相同的测试条件下，研究团队对已报道的近10种具有代表性的高压水系电解液进行了比较研究。结果表明，甲基脲水系电解液具有最宽的电化学稳定性窗口，为4.5V，是传统水系电解液中最好的。液体量的2倍以上。基于这一结果，这个“配方”可以显着提高水系电池的能量密度，有望开发出与有机锂离子电池相媲美、兼具安全性和成本优势的新型电池。

图为王建辉团队成员合影。后排左七为王建辉，后排左二为林锐。西湖大学供图

研究过程中，王建辉、林锐还与西湖大学理学院刘石团队合作，通过分子水平的模拟计算，更深入地了解电解质的组成、结构和功能之间的联系。

基于对大量数据结果的分析和不同尺度的观察，团队惊讶地发现了一种与普通水溶液显着不同的独特溶液结构。

《焦耳》封面上的水滴上，黄绿色的“盐核”被蓝紫色的“有机/水壳”紧紧包裹，形成了一种称为“核壳”的溶液结构。王建辉表示，这是固体纳米材料中“最常见”的结构，但在液体中发现类似的结构非常令人惊讶。它为调节溶液结构、设计新电解质以及后续可能的应用研究提供信息。理论基础。

西湖大学新能源存储与转换实验室简介：

王建辉，西湖大学新能源存储与转换实验室主任、研究员、博士生导师。西湖大学新能源存储与转换实验室致力于探索和开发高能量密度充电电池、液流电池、新型储氢技术和燃料电池等新一代清洁能源存储与转换关键技术。研究团队欢迎热爱科学研究的博士生、博士后、助理研究员、科研助理加入。