Molecular crowding electrolytes for high-voltage aqueous batteries

电化学窗口 材料科学 电解质 乙二醇 水溶液 电化学 化学工程 化学 离子电导率 有机化学 电极 工程类 物理化学
作者
Jing Xie,Zhuojian Liang,Yi‐Chun Lu
出处
期刊:Nature Materials [Springer Nature]
卷期号:19 (9): 1006-1011 被引量:534
标识
DOI:10.1038/s41563-020-0667-y
摘要

Developing low-cost and eco-friendly aqueous electrolytes with a wide voltage window is critical to achieve safe, high-energy and sustainable Li-ion batteries. Emerging approaches using highly concentrated salts (21–55 m (mol kg–1)) create artificial solid–electrode interfaces and improve water stability; however, these approaches raise concerns about cost and toxicity. Molecular crowding is a common phenomenon in living cells where water activity is substantially suppressed by molecular crowding agents through altering the hydrogen-bonding structure. Here we demonstrate a ‘molecular crowding’ electrolyte using the water-miscible polymer poly(ethylene glycol) as the crowding agent to decrease water activity, thereby achieving a wide electrolyte operation window (3.2 V) with low salt concentration (2 m). Aqueous Li4Ti5O12/LiMn2O4 full cells with stable specific energies between 75 and 110 W h kg−1 were demonstrated over 300 cycles. Online electrochemical mass spectroscopy revealed that common side reactions in aqueous Li-ion batteries (hydrogen/oxygen evolution reactions) are virtually eliminated. This work provides a path for designing high-voltage aqueous electrolytes for low-cost and sustainable energy storage. Developing cheap and sustainable aqueous electrolytes with a wide voltage window is key to achieving safe and high-energy Li-ion batteries. An electrolyte using the polymer poly(ethylene glycol) as a crowding agent to decrease water activity achieves a wide operation window at low salt concentration.
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