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可再生能源(如太陽能和風能)的間歇性和不均勻分布的缺點以及大規模儲能的迫切需求加速了電池技術的發展。其中，鋰電池無疑在全球能源市場占據主導地位。然而，使用有機電解液引起的安全問題始終存在，可能導致災難性的火災或爆炸，對生命構成極大威脅。為了追求更可靠、更經濟的能源存儲，近幾十年來，具有高安全性、低成本和易于組裝條件的水系電池重新引起了人們的關注。

在此，湖南大學魯兵安團隊利用丁二腈（SCN）進行氫鍵（H-bond）調控，重構H₂O分子的結合狀態，將具有強氫鍵網絡的“自由H₂O”轉化為受SCN分子限制的“固定化H₂O”，從而抑制H₂O的活性。設計的5.6 m KFSI-SCN-H₂O混合電解液具有達到4.0 V的寬ESW，特別是在5.1 V以上具有高正極極限，這是目前報道的水系鉀離子電解液中最高的。

此外，該電解液具有不可燃性、改進的導電性和更寬的適用溫度范圍。因此，組裝的KVPO₄F||PTCDI全電池在10,000次循環中表現出優異的循環穩定性，每次循環的容量衰減低至0.0025%，并展現約100 Wh kg^-1的高能量密度。

圖1. KFSI-SCN-H₂O雜化電解液的理化性質

總之，該工作開發了一種高壓有機/水混合電解液（5.6 m KFSI-SCN-H₂O），通過氫鍵調節策略將“自由H₂O”轉化為“固定化H₂O”，解決了AKIBs中長期存在的電壓窗口窄的問題。一方面，引入SCN作為氫鍵受體，打破H₂O-H₂O相互作用的強氫鍵網絡，通過SCN-H₂O相互作用形成弱氫鍵，加強H₂O分子中的O-H鍵，從而大大降低H₂O的活性。另一方面，SCN可以巧妙地參與K⁺初級溶劑化殼，并有助于在電極表面形成堅固的雙界面層，該間相由SCN衍生的外層和富含KF的內層組成，從而進一步保證了AKIBs穩定的循環性能。

結果表明，設計的5.6 m KFSI-SCN-H2O電解液的ESW擴展到4.0 V，特別是在5.1 V以上具有相當高的正極極限，可以與高壓KVPO4F正極匹配，預示著高壓AKIBs的實現。組裝的KVPO4F||PTCDI全電池在10,000次循環中表現出優異的循環穩定性，每次循環的容量衰減率為0.0025%，能量密度約為100 Wh kg^-1。盡管本研究中的能量密度仍與商業價值有所不同，但氫鍵調節混合電解液為在不影響安全性的情況下實現更高能量密度的水系電池提供了新的見解。

圖2. KVPO₄F||PTCDI全電池的電化學性能

Hydrogen-bond regulation in organic/aqueous hybrid electrolyte for safe and high-voltage K-ion batteries, Energy & Environmental Science 2024 DOI: 10.1039/d3ee03729k

原創文章，作者：Jenny（小琦），如若轉載，請注明來源華算科技，注明出處：http://m.zzhhcy.com/index.php/2024/03/28/a3aad3a621/

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湖大魯兵安EES：有機/水混合電解液中的氫鍵調控實現安全、高壓的鉀離子電池

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