低成本、可持续的用于碱金属电池的准固态水系电解质

水系电解质由于其可持续性、绿色性和低成本而对电池非常重要。然而，游离水分子与碱金属发生剧烈反应，导致碱金属阳极的高容量无法使用。

水的各种特性和现象源于其特有的氢键网络。在过去的几十年里，降低水分子振动自由度的纳米级方法被认为可以有效地调节氢键网络，从而形成独特的水分子构型。关于低振动自由度的水分子系统，水分子的约束性排列导致了与大块水分子有很大不同的特性，如不寻常的传导特性，以及丰富的秩序和相结构。因此，这些独特的性能也可以解决目前水电池化学的问题，这使得人们对水电池化学的纳米封闭水分子研究产生了很大的兴趣。然而，这种水分子是否能与碱金属直接共存仍然是个问题。

近日，湖南大学鲁兵安教授、中山大学Wang Chengxin等团队开发了低成本、可持续的用于碱金属电池的准固态水系电解质。通过设计，作者将水分子限制在类主体分子网络中，以构建水分子自由度降低的准固体水系电解质（QAE），并将其与低成本的氯化物盐相匹配。所形成的QAE具有与液态水分子截然不同的性能，在没有气体析出的情况下与碱金属阳极稳定运行。具体而言，碱金属阳极可以在水系环境中稳定循环，抑制枝晶生长、电极溶解和多硫化物穿梭。Li金属对称电池实现了超过7000小时的长期循环（Na/K对称电池超过5000/4000小时），并且所有基于Cu的碱金属电池都表现出超过99%的库仑效率。全金属电池，如Li||S电池，在水系可充电电池中获得了高库仑效率、长寿命（超过4000次循环）和前所未有的能量密度。

【要点】

一、设计并合成了一种沸石咪唑盐骨架（ZIF），以将水分子储存在一种新的单体分子构型中（图1a）。所形成的准固体含水系电解质（QAE）具有H2O的降低的自由度（DOF）。因此，具有低成本氯化物盐的QAE。导致了具有高可循环性的超安全水系碱金属电池的开发。据我们所知，这是第一类水系电解质，可以缓解碱金属和水分子之间的剧烈反应，而不需要保护性阻挡层。

二、低温电子显微镜（cryo-EM）发现，水分子聚集在骨架内并使电池膨胀。在线电化学质谱（OEMS）证实了在QAE电池的操作过程中不存在气体产物，因为具有低振动自由度的水分子很难移动并与碱金属反应。

三、差示扫描量热计（DSC）进一步揭示了QAE的独特特征，即在-47℃至室温的温度范围内不结冰。

四、得益于主客体化学，实现了低振动能水分子的QAE，用于低成本、长寿命的水系碱金属电池。

五、当与QAE组装时，对称电池循环数千小时（对于Li/Na/K对称电池超过7000/5000/4000小时）。沉积剥离测试显示库仑效率>99%。Li||S和K||PTCDI（3，4，9，10-苝四羧酸二亚胺）纽扣电池分别运行了4000和700多次循环。此外，我们组装并展示了4.49 Ah Li||S软包电池，其重量能量密度为276 Wh/kg（Wh kgpOcket-1），表现出长期循环稳定性（100次循环后容量保持率为93.4%）。

六、这项工作代表了水系电池的令人兴奋的前景，其中碱金属阳极和QAE之间通过主客体化学的兼容性正在获得吸引力。

水分子被困在类客体网络中，产生了准固体水系电解质，它与碱金属兼容，没有气体析出，库仑效率高达99%以上，成本低。这项工作为水系、低成本、可持续的电池及其他电池铺平了创新的道路。

【图文详情】

QAE的设计如图S2所示，ZIF是一种内径为2.92Å的多功能类沸石网络的子类，用于通过热驱动纳米约束方法缓解氢键网络并控制水分子构型。QAE的灵活性、易综合性和可积性保证了其对大规模卷对卷制造工艺的适应性（图1b-d）。

图1、准固体含水系电解质（QAE）的概念设计、制造和表征。

图2、碱金属电池的电化学特性。

图3、抑制枝晶的QAE能够实现均匀的碱金属电沉积

图4、基于QAE的碱金属电池。

图5、OEMS和穿钉测试。

【总结】

首次成功地设计了QAE。它们有助于克服液态水电池的几个缺点，如碱金属兼容性差、电化学窗口窄、安全性和操作不稳定。具有QAE的碱金属电池表现出高能量密度和长循环寿命。QAE的出现代表着朝着降低成本和空间的可持续、安全电池迈出了重要一步。

值得注意的是，QAE的设计策略并不局限于基于碱金属的电池；它还可以扩展到其他电池化学，如Zn/Mg/Fe/Ca/Al基电池技术。我们的设计理念是通用的，因为它也可以与传统的有机电解质一起使用，以提高金属离子电池的安全性、能量密度和稳定性。预计QAE将加速各种实用金属和金属离子电池进入市场。