近日，东北大学冶金学院李犁教授团队在水系质子电池电解液研究方面取得重要进展。相关成果以Realization of Long-Life Proton Battery by Layer Intercalatable Electrolyte为题发表在国际顶级期刊Angewandte Chemie International Edition。东北大学冶金学院为第一完成单位，冶金学院硕士生梁沛林为第一作者，李犁教授为通讯作者。
该团队提出了一种可实现层间插入的电解液，实现了水系质子电池的稳定运行。通过在典型的硫酸水溶液中引入磷酸三甲酯，构建了复杂的氢键网络，稳定了电解液主体和电极材料界面，提升了电池在常温和低温下的稳定性。同时实现了溶剂分子在电极材料的层间插入，拓宽了离子传输通道，增加了电荷储存密度。
水性电池由于其不易燃、环保和低成本的优点而广受关注。其中，质子电池具有离子尺寸小、摩尔质量低、质子扩散速率快的特点，赋予电极材料高的离子电导率和快速的反应动力学。传统电解质中容易出现析氢反应等副反应，限制了电池的电位窗口，同时对电极会产生腐蚀，导致电极材料结构坍塌，严重影响电池的稳定性。设计能够实现电极材料长期循环的电解质是质子电池发展的一项挑战。基于典型的硫酸水溶液体系设计了一种混合电解液（LIE），引入了磷酸三甲酯(TMP)来构建复杂的氢键网络，以实现电解液中自由水的固定，减少对电极的腐蚀；同时TMP参与到H3O+的溶剂化壳层中，和H3O+之间的相互作用抑制了副反应的发生，大幅度提升了电池的稳定性。通过研究发现，LIE体系下三氧化钼负极在充放电过程中层间距发生了较大的变化，这一现象表明在充放电过程中TMP可以在三氧化钼负极中实现层间的插入和脱出，这有利于拓宽质子的传输通道；同时电极在放电态时更多的低价态产物表明产生了更多的电荷存储。在水系质子电池之外，TMP体系在其他水系离子电池中也表现出良好的性能提升效果。这项工作对水系离子电池电解液的设计提供了新的见解，并为实现稳定运行的水系电池提供了新的解决方案。东北大学分析测试中心为数据采集和表征工作提供了重要支撑。
图1 电解液性质和电池性能图
