水系電池由于具備本質(zhì)安全、低成本、環(huán)保的特點(diǎn)，有望在未來大規(guī)模儲(chǔ)能中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，但是水系電池固有的瓶頸——負(fù)極界面的析氫問題嚴(yán)重限制了水系電池的壽命。電解質(zhì)界面中間相(SEI)可以從動(dòng)力學(xué)上抑制析氫反應(yīng)，而傳統(tǒng)的陰離子還原形成SEI高度依賴于高濃度的有機(jī)含氟鹽(LiTFSI)，受制于電解液傳質(zhì)以及負(fù)極負(fù)電荷排斥，導(dǎo)致依賴鹽陰離子構(gòu)建的SEI形成效率低且消耗時(shí)間長(zhǎng)，并會(huì)顯著增加電池極化。擺脫SEI構(gòu)建對(duì)電解液的高度依賴，提高SEI形成效率，并降低SEI帶來的電池極化，對(duì)延長(zhǎng)水系電池的使用壽命方面起著至關(guān)重要的作用。
 

　　基于此，近日，來自中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心索鎏敏研究員團(tuán)隊(duì)博士生劉秉航和馬錦濤提出了一種氟化碳雙功能電極添加劑(BFEA)。氟化碳作為電極添加劑不受電解液傳質(zhì)以及負(fù)極電荷排斥的影響，同時(shí)具有高達(dá)2.4 V vs Li/Li+ 的還原電位，保證了其優(yōu)先還原以及極高的SEI形成效率。氟化碳還原形成LiF以及碳，前者作為非鹽依賴構(gòu)建的SEI主要成分可以有效抑制水系電池析氫，延壽水系電池，10m LiTFSI體系全電池下析氫速率從11.24降低到4.35 nmol/min，0.5Ah電池300圈容量保持率從53%提高到78.2%；碳副產(chǎn)物改善了電極導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而降低了整體極化，0.5Ah電池300圈能量效率提高4%。該添加劑兼容性強(qiáng)，不依賴于電解液，可在無機(jī)水系電解液如LiCl溶液中實(shí)現(xiàn)LiF SEI的構(gòu)建，擺脫對(duì)LiTFSI等大陰離子鹽構(gòu)建SEI保護(hù)的依賴，同時(shí)有利于降低電池極化，提高能量效率，預(yù)期可有效避免規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)產(chǎn)熱帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)和大幅降低散熱系統(tǒng)成本。
 

　　該工作以“Bifunctional Fluorocarbon Electrode Additive Lowers the Salt Dependence of Aqueous Electrolytes”為題目，發(fā)表在Advanced Materials上(https://doi.org/10.1002/adma.202413573)，文章通訊作者：索鎏敏研究員，第一作者：劉秉航、馬錦濤。該研究工作受到了中國(guó)科學(xué)院青年交叉團(tuán)隊(duì)，清潔能源實(shí)驗(yàn)室，北京清潔能源前沿研究中心，懷柔清潔能源材料測(cè)試診斷與研發(fā)平臺(tái)以及溧陽長(zhǎng)三角物理研究中心的大力支持。
 

圖 BFEA添加劑形成SEI的機(jī)制及SEI對(duì)副反應(yīng)的抑制作用。