在传统液态二次电池中,很多电极材料如过渡金属锰氧化物、硫电极、有机电极等在液体电解液中存在严重溶解现象,从而造成电极材料活性物质损失,容量衰减和寿命短等问题。近些年来,高盐浓度Solvent-in-Salt和Water-in-salt电解液的提出为拓宽电化学窗口,降低电极材料溶解,调节电极循环稳定性提供了一条很好的研究思路。
尽管高盐浓度电解液对电极材料溶解的抑制作用已经得到了广泛印证,但到目前为止高盐浓度电解液抑制电极材料溶解微观机理仍然不够清楚。近日,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心清洁能源重点实验室E01组岳金明博士生在索鎏敏副研究员的指导下,以浓度为核心变量,采用磷酸钒钠正极为研究对象,针对高盐浓度抑制电极溶解机制问题展开了系统研究。
研究表明,在超高盐浓度Water-in-salt电解液中,电极材料溶解得到了很好的抑制,磷酸钒钠正极结构稳定性大大提高,电池电化学性能得到明显提升。通过研究不同状态下正极材料在电解液中溶解速度和溶解量随时间变化发现,在超高盐浓度Water-in-salt电解液(31m WIBS)中其溶解速率大大降低且符合Noyes-Whitney线性溶解方程。
通过已有实验结果结合电解液自身物理化学性质综合分析,高盐浓度Water-in-salt电解液抑制正极材料溶解可以从固-液界面处热力学和动力学两个方面解释。
在热力学上超高盐浓度导致电解液中阳离子水合作用增加,从而导致界面处有效水含量减少且水的溶解活度大大降低;在动力学上超高浓度伴随着黏度增大,从而导致溶解物质扩散受限,溶解物质倾向于聚集在电极表面,浓度梯度变小,反过来进一步限制了后续钒的溶解,从而导致了在高盐浓度Water-in-salt电解液中产生溶解物质“界面限域”效应。
该研究结果发表在《Advanced Energy Materials》上,题目为Interface Concentrated-confinement Suppressing Cathode Dissolution in Water-in-salt Electrolyte。相关工作得到了国家自然科学基金的支持。