天目Tech找到关键配方西湖大学水

天目新闻记者曾杨希通讯员张弛

大到上天入海的大型交通工具，小到每个人手握的手机、电脑，这些器件的启用运行，电池的重要性不言而喻。近年来，随着全球确定了碳达峰、碳中和的发展目标，人们对于安全、环保、高能量密度、低成本电池的需求愈发迫切。

电解液是化学电池、电解电容等使用的介质。在电池制备中，有科学家们把目光投向了水系电解液，相比目前锂离子电池使用的有机电解液，水系电解液的“安全系数”要高很多——水系溶液不可燃，这大大降低了电池燃烧爆炸的风险。

Joule封面资料图西湖大学供图

如何制备出宽电压窗口的水系电解液，以实现匹敌有机系锂离子电池的能量密度？以西湖大学特聘研究员王建辉、刘仕和西湖大学博士研究生林锐、博士后柯昌明为主的团队“死磕”了三年，于近期取得了突破。

今年1月，相关成果于Joule杂志线上发表，并在刚刚出版的Joule2月刊中作为封面出现。西湖大学博士研究生林锐和柯昌明为文章第一作者。

安全性高、制备条件宽松、成本低廉，一直是水系电解液的抢眼优势。但它的瓶颈同样突出——电压窗口窄，限制了电池的能量密度上升空间。

例如，常规水系电池，如铅酸电池、镍镉电池的能量密度只有30-50Wh/kg，能量密度不到锂离子电池的1/3，因此使用水系电解液的电池在市场上不具备竞争优势。

在全新水系电解液中，研究团队用到了一种关键“配方”——甲基脲分子。甲基脲是一种十分常见的化学物质，主要用于有机合成及制药工业，成本低廉。更重要的是，作为一种不可燃、低毒的物质，它十分符合制备水系电解液材料的需求。

在相同测试条件下，研究团队对比研究了近10种已报道的代表性高电压水系电解液，结果显示，甲基脲水系电解液具有最宽的4.5V的电化学稳定窗口，是常规水系电解液的2倍多。基于此结果，这种“配方”能够大幅提高水系电池的能量密度，有望开发出与有机系锂离子电池相匹敌，并兼顾安全和成本优势的新型电池。

图为王建辉团队成员合影，王建辉位于后排左七，林锐位于后排左二。西湖大学供图

研究中，王建辉和林锐还找到西湖大学理学院的刘仕团队合作，通过分子层面的模拟计算，深入理解电解液组成、结构与功能之间的联系。

基于大量数据结果分析和不同尺度下观察，团队惊喜地发现了一个独特的溶液结构，显著区别于普通水溶液。

在Joule封面上图片的水滴上，黄绿色的“盐核”被蓝紫色的“有机/水壳”紧紧包裹，共同形成一种名叫“核壳”的溶液结构。王建辉说，这是一种在固体纳米材料中“最常见”的结构，但在液体中发现类似结构令人非常意外，为调控溶液结构、设计新型电解液，以及后续各种可能的应用研究提供了理论基础。

西湖大学新能源存储与转化实验室简介：

王建辉为西湖大学新能源存储与转化实验室负责人、研究员、博导。西湖大学新能源存储与转化实验室致力于探索和开发新一代清洁能源存储与转化关键技术，如高能量密度可充放电池、液流电池、新型储氢技术与燃料电池。课题组欢迎对科研有热情的博士生、博士后、助理研究员、科研助理加盟。

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