王春生教授团队实现“软包电池”水系电解液新突破，联合创始公司正推进成果产业化

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2022年2月8日，美国马里兰大学王春生教授团队在互联网上发表了题为《用于超2.5V||袋式电池》的新研究，在水系电解液方面取得新突破。该技术的成熟发展将有可能应用于大规模储能。论文通讯作者为王春生教授，第一作者为徐继建和纪晓。

果壳网硬科技随即联系上了王春生教授和徐继建博士后，徐继建告诉我们：“这项研究的主要亮点是通过三元共晶电解液的设计，使得软包电池在4.5m低浓度下，在贫电解液（3g/Ah）、厚极片（面积容量2.5mAh/cm2）、低正负极容量比（1.14）等实际应用条件下，仍能稳定工作。”

水系锂离子电池概念最早由加拿大著名锂电池科学家Jeff Dahn于1994年提出。水系电池采用水作为电解液溶剂，可以从根本上解决有机电解液易燃带来的安全问题。但水的分解电压较低（1.23V），这导致水系锂离子电池很难达到2V以上的稳定工作电压。

水性电解质的电化学稳定性窗口 | 图片由团队提供

2015年，王春生教授课题组研发的21m“盐包水”电解液技术被报道，他们首次将电压窗口拓宽到3.0V。这一成果为水系高浓度盐的制备开辟了新的方向。21m“盐包水”电解液中大量的盐聚集体（AGG）使得盐先于溶剂分解，在电极上形成稳定的界面层，从而提高它们在很宽电压范围内的稳定性。随后，王春生教授课题组继续开展超高浓度水系电解液的研制研究，进一步将盐浓度提高到63m。至此，课题组认为提高盐浓度的思路已经到了极限。

同时，盐浓度过高也带来成本增加、电解液黏度增大等问题，因此该团队反其道而行，考虑降低盐浓度，提高电解液电压窗口，本次最新发表的成果正是基于这一思路做出的。

研究团队巧妙采用了三元共晶的电解质设计思路，以CO(NH2)2为例，在正极极限电位为1.5 V，4.5 m低浓度下将水系电解质电化学稳定窗口拓展至3.3 V。电解质中锂离子溶剂化鞘层中的水分子数由水包盐电解质（WISE）中的2.6个降至0.7个，CO(NH2)2在KOH催化下被还原，形成稳定的LiF/聚合物双层SEI。团队研发的水系电解质可使软包电池在贫电解质（3 g/Ah）、厚电极（表面容量2.5 mAh/cm2）、低正负极容量比（1.14）等实际应用条件下稳定工作。

2.5 V ||软包电池（表面容量2.5 mAh / cm2）在实际应用条件下的电化学性能及与其他水系电池的性能比较|图片由团队提供

研究团队设计此电解质的思路，亦可应用在分子结构类似的胺类化合物上，例如甲基乙酰胺、乙酰胺等。||全电池仍展现出优异的稳定性与容量保持率（450次循环后仍达90%）。此外，研究团队进一步引入富锂的Li1.作为正极，在充电过程中释放锂离子以补偿负极中Li的损失，同时自身转化为正极。这在不引入非活性材料的情况下，提高了循环稳定性（92%，470次循环）。

综合成本、能量/功率密度、市场等多重因素分析后，认为4.5M水系电池相比镍氢电池、铅酸电池具有很强的竞争力。“与商用锂离子电池相比，水系电池整体上并不具备能量密度优势，其最大的特点就是安全性和成本低廉。因此，这项技术发展成熟后，将有可能应用到大规模储能中，取代传统的镍氢电池和铅酸电池。”徐继建告诉果壳网，“我们认为水系电池在降低电池制备成本方面有很大优势，首先可以在常温下组装，不需要干燥室，其次对原材料的纯度要求较低，可以接受含有一定水分的锂盐，这样可以大大降低成本。”

接下来研究团队的目标是在不提高盐浓度的情况下，继续将负极极限电位降低至1.0 V，这样金属Al就有可能可逆沉积，这将是一个非常有意义的工作。徐继建说：“我觉得我们的研究更多的是分享一种可能性，就像跟大家挥手打招呼一样，‘低浓度锂盐电解液也能实现很宽的电化学稳定窗口——看，我们这样做，你们是不是也想试试看？’”

目前，王春生教授联合创办的公司正在推动该成果的产业化。

致谢

感谢马里兰大学博士后研究员徐吉建对本文的审阅和建议。

参考

[1] Xu, J.、Ji, X.、Zhang, J. 等人，用于超 2.5 V || 袋式电池。Nat（2022 年）。