西北工业大学黄维院士、马龙涛教授AEM综述：水系金属离子电池中的溶剂化结构

【文章信息】

水系金属离子电池中的溶剂化结构

第一作者：李晓敏，王鑫钰

通讯作者：黄维，马龙涛

单位：西北工业大学

【研究背景】

近年来，水系电池由于其固有的高安全性，低成本和环境友好性而备受关注，但由于不可避免的水分解导致其存在析氢反应(HER)和析氧反应(OER)，水系电池电化学稳定窗口较窄，限制了电极材料的应用。另一方面，一些副反应，如枝晶生长，气体释放以及电极材料的溶解和腐蚀等严重损害了电池的性能。

此外，与使用有机电解质的电池不同，由于水分解产物为气体，在水系电池系统中很难在电极表面形成固体电解质界面(SEI)，因此，连续的电解质分解不仅会降低库仑效率(CE)，而且还会在循环过程中不断产生气体。水系电池中存在的上述挑战与金属离子的溶剂化结构密切相关，可以通过调控溶剂化结构来解决。本篇综述展总结了水系金属离子电池溶剂化结构的相关研究，并对目前存在的问题进行了总结以及对未来的研究进行了展望。

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【文章简介】

近日，西北工业大学黄维院士及马龙涛教授在国际知名期刊 Advanced Energy Materials 上发表题为“ Solvation Structure in Aqueous Metal-Ion Batteries” 的综述文章。该文章分析了水系电池性能与溶剂化结构之间的关系，从高浓盐策略、MOF改性和电解质添加剂三个角度介绍了溶剂化结构的调控和研究进展，总结了常用的溶剂化结构表征方法，最后总结了溶剂化结构研究前沿中存在的问题和挑战。

图1 (a)水系电池副反应示意图 (b)水系金属离子电池的优缺点 (c)提高水系电池性能的策略

【本文要点】

要点一：高浓盐策略

对于高浓盐策略，随着盐浓度的增加，所有的水分子都结合在初级溶剂化壳层上，从而减少了自由水分子的数量和水分子的活性。高浓电解质使高压电极材料可用于高压水系电池。然而，盐浓度的增加不可避免地导致电解质高粘度以及低离子电导率，从而影响电池性能。因此，在实际应用中，有必要对其进行平衡。

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要点二：金属有机骨架(MOF)改性电解质

通过在阳极材料表面涂覆金属有机骨架(MOF)材料，可以改变阳极/电解质界面附近的离子浓度和溶质分布，通过调整电极/电解质界面的化学行为，提高电池性能。然而，并不是所有的MOF材料都可以用于水系金属离子电池，在实际应用中需要选择合适孔径的MOF材料，且MOF材料的制备和涂层工艺比较复杂，操作不便。

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要点三：添加剂策略

电解质添加剂是扩大电化学稳定性窗口(ESW)和构建固体电解质界面(SEI)的一种常用和有效的方法。一些具有强极性的添加剂作为共溶剂加入水溶液中，易于与金属离子配位，减少初级溶剂化结构中的水分子。另一种机制是通过水分子和添加剂的相互作用形成氢键来降低水的活性，如聚乙二醇 (PEG)等。

​此外，一些添加剂也可以吸附在电极表面，以控制界面上的电化学行为。与其他策略相比，电解质添加剂策略更容易操作。电解质添加剂虽然在溶剂化结构的调节中发挥着突出的作用，但仍存在一些不足，有待进一步发展。

​首先，目前研究的电解质添加剂种类较少，其作用机理尚不清楚。因此，研究更多类型的添加剂及其机理是今后的重要研究方向。其次，目前大多数添加剂都是单独使用的，其效果相对有限，结合不同功能的添加剂而彼此之间不相互作用是一个重要方向。第三，大多数添加剂不能完全避免活性水带来的危害，因此需要开发新的电解质，如凝胶电解质，以减少不利的副反应。

​此外，过量使用添加剂可能会增加电解质的粘度，且有机成分污染大，成本高，与水电池提倡的安全性高、低成本、环保相反，因此在研究过程中需要考虑其剂量等影响。

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要点四：溶剂化结构的表征

溶剂化结构的表征和预测也是电池研究的一个重要方面。常用的表征方法包括傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、拉曼光谱、核磁共振光谱(NMR)等光谱分析方法。这些方法可用于表征电解液中的化学环境和各组分之间的相互作用。同时，利用第一性原理计算、密度泛函理论(DET)、分子动力学模拟(MD)等理论计算和模拟方法可以预测溶剂化结构。与光谱分析方法相比，理论计算具有直观的分子/离子相互作用、具体的配位结构和模型等优点。在实际研究中，需要结合各种表征和预测方法，以更好地研究和分析电解质的结构和性能。

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【文章链接】

Solvation Structure in Aqueous Metal-Ion Batteries.

https://doi.org/10.1002/aenm.202202068

【通讯作者简介】

马龙涛教授简介：教授，翱翔海外学者，主要从事柔性可穿戴储能器件方面研究，包括高性能电极材料、高安全电解质、固态电解质的制备以及电解质与电极材料界面、电池结构的设计。

​迄今为止，以第一/通讯作者在Energy& Environmental Science, Advanced Materials, Angewandte Chemie International Edition，Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials , ACS Nano, Nano Energy等期刊发表论文 30 余篇。

​其中，11 篇论文入选高被引论文，3 篇论文入选热点论文，论文总引用 7300 余次，H-Index 为 49 (Google Scholar). 申请发明专利 5 项。他的研究团队专注于柔性/可穿戴能量转换和存储设备、水系电池和金属-气体电池的研究。

欢迎材料学、物理化学、电化学背景的同学加入团队。

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黄维院士简介：中国科学院院士、俄罗斯科学院外籍院士、亚太材料科学院院士、东盟工程与技术科学院外籍院士、巴基斯坦科学院外籍院士、欧亚学院院士。教授、博导，柔性电子（包括有机电子、塑料电子、生物电子、印刷电子、能源电子和纳米电子）学家。

​从九十年代初开始致力于跨物理、化学、材料、电子、信息和生命等多个学科交叉融合发展起来的有机光电子学这一国际前沿学科的研究，在有机光电子学、柔性电子学等领域取得了大量系统性、创新性的研究成果。现任西北工业大学学术委员会主任、柔性电子前沿科学中心首席科学家。