电化学稳定窗口（ESW）是电池正负极间可安全工作的最大电压差。水系电解质因安全性高（不易燃、无毒）备受关注，但其传统ESW较窄，阻碍了其在先进储能系统中的性能表现和应用。扩展水系电池的ESW可显著提升其安全性和能量密度，克服性能局限。近日，力学所团队联合福州大学、郑州大学团队，利用原子模拟结合ESW估算和盐包水电解质（WiSE）连续体理论，揭示了通过添加微量极性溶剂微调界面溶剂极性，可扩展ESW并促进离子插层和传输。为后WiSE时代水系电池创新开辟了新的研究路径。该研究成果以“Expanding the Electrochemical Stability Window: Unraveling the Role of Solvent Polarity and a WiSE-Compatible Strategy”为题发表于《Journal of the American Chemical Society》上。

过去十年间，盐包水电解质在该领域取得了突破性进展。然而，一个亟待解决的问题是能否通过新方法进一步拓宽ESW。针对这一问题，团队深入研究了电解质的独特动力学特性，检查了它们在形成电双层（EDL）期间和之后的动力学行为。提出了用于估计电化学稳定窗口的指标。该指标不仅补充而且通过融入先前被忽视的关键动态方面，增强了对电化学稳定窗口的理解。通过分子动力学模拟，发现了极性溶剂的极性对离子和水分布的显著影响。具体而言，在界面处，高极性溶剂因其极性取向能够巧妙地与电场对齐，从而降低能量，因此备受青睐。因此，观察到极性较弱的水分子被这些高极性溶剂分子（电双层的主要成分）排斥。这一观察很好地解释了实验中通过添加少量极性溶剂而导致的电化学稳定窗口的显著变化。根据模拟，增强溶剂极性不仅拓宽了电化学稳定窗口，还在系统内建立了高效的传输通道，促进了离子插入和传输，从而提高了电化学器件的整体性能。

论文第一作者为力学所科研助理赖国彬，通讯作者为力学所刘峰副研究员、福州大学吴明懋副教授和郑州大学靳绪庭副教授。研究工作得到国家自然科学基金（No：11972349、22105040、22479130和22109009）、中国科学院战略性先导科技专项（No：XDB0620101）、福建光电信息科技创新实验室（No：2021ZZ127）和福建省自然科学基金（No：2021J01588）的支持。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c04782

图1. 共溶剂WiSE的本体溶剂化结构

图2. MD模拟中的平行板模型

图3. 极性溶剂对水分分布的影响

图4. 理论和MD模拟中所有物种的分布

图5. 极性溶剂对锂离子插层反应的影响

图6. 极性溶剂对锂离子扩散的影响