我院陈义旺/袁凯教授团队在《Small》上发表最新研究成果

Small：揭秘乙二醇醚分子链长和端基对水系电解液性能的影响（DOI: 10.1002/smll.202306808）

环保、可充的水系储能装置因其无毒、低成本、安全性高等优点，在大规模储能应用方面受到极大的关注。电解液作为电化学储能装置的重要组成部分，在器件的能量密度、功率密度等电化学性能中起着相当大的作用。与传统的有机电解液和离子液体相比，具有水系电解液的器件具有更高的离子电导率，因此可以实现高的功率密度。然而，较窄的电化学稳定性窗口(ESW，纯水为1.23 V)限制了器件的输出电压和能量密度。因此，提高水系电解液的电化学稳定性十分迫切。

近年来，超浓缩“盐包水”(WIS)电解液的概念被提出并广泛报道，同时开发出了大量含有不同盐作为溶质的WIS电解液，以大大降低水的活性，从而实现高能的水系储能装置。然而，WIS电解液中阴离子和阳离子之间的强相互作用导致离子传输动力学缓慢，无法满足器件在高功率密度下运行的要求。另一方面，这种强烈的相互作用也会导致严重的盐析现象，使器件的低温运行受阻。另外，WIS电解液高成本的问题，也严重阻碍了其进一步商业化。因此，在WIS电解液中引入惰性的共溶添加剂(如乙腈、环丁砜和磷酸三甲酯等)进行稀释以构建混合电解液是一种可行的策略，可以有效降低电解液的成本和粘度，并保证足够的离子电导率。同时，共溶添加剂通过氢键与水分子相互作用，削弱了游离水之间的氢键，降低了游离水的活性，提高了器件的工作电压和温度范围。直链小分子醇和醚因其低成本和低毒性而成为电解液的优良候选添加剂。然而，由于缺乏对小分子共溶添加剂结构如何影响电解液关键特性的深入了解，阻碍了高压、大功率、高能量水系储能器件混合电解液的合理设计。

鉴于此，南昌大学/江西师范大学陈义旺教授、袁凯教授课题组深入揭示了乙二醇醚系列分子链长和端基对水系电解液的影响。通过将不同链长(二乙二醇、三乙二醇、四乙二醇)和端基(-OH、-OCH3、-OCH2CH3)的乙二醇醚小分子共溶添加剂引入到2 m LiTFSI溶液中构建了不同混合电解液。同时，系统研究了分子结构对电解液的电化学稳定窗口(ESW)、离子电导率、固液转变温度和热稳定性等性质的影响。其中，由二乙二醇二甲醚分子(DDm)制备的混合电解液具有优异的综合性能。本研究为利用共溶添加剂分子设计开发高性能储能装置的先进混合电解液提供了新的思路。

研究亮点：

1. 深入揭示了乙二醇醚系列分子不同链长和端基对水系电解液的影响。短链和二甲醚的末端基团能够削弱添加剂分子间相互作用，可以降低粘度，提高电解液的离子电导率。此外，添加剂分子的加入可以增强H2O和添加剂分子间的相互作用，抑制H2O-H2O间的氢键，进而有效拓宽电化学稳定窗口。

2. 二乙二醇二甲醚分子制备的混合电解液具有优异的低温及电化学性能。使用2 m LiTFSI-90%DDm混合电解液的超级电容器具有高的工作电压(2.5 V)和超长的循环寿命，能够在1 A g-1下循环50,000次，并保持92.3%的容量保持率。此外，还能在-40 °C下实现10000次循环。

3. 二乙二醇二甲醚分子具有优异的普适性。通过扫描电镜、三维共聚焦激光扫描显微镜以及扫描电化学显微镜等表征手段证实二乙二醇二甲醚分子能够有效的抑制锌负极表面枝晶的生长和副产物的生成，其制备的混合电解液能够使Zn//聚苯胺(PANI)电池在0.2 A g-1下运行超过2000次循环，并保持77.9%的容量。

[三审三校：邓泽阳 蒋平 袁凯]