来源：水系能源

文章摘要

水性电解质由于其独特的优点，如固有的安全性、低成本和环境友好性，被认为是商业有机电解质的有吸引力的替代品。不幸的是，由于普通水性电解质的凝固点相对较高，它们通常不能在极低的温度条件下工作。为了拓展其应用空间，南开大学焦丽芳教授团队首次将强极性溶剂甲酰胺(FA)作为广泛应用的17 m NaClO₄电解液(m: mol kg^-1)的共溶剂。优化电解质的最低凝固点已显著降低到-50℃以下。理论计算和光谱方法揭示，FA具有足够的活性位点来与水分子配位，切断它们的直接连接，并防止它们在零下温度下形成长程有序结构。当与优化的低温电解质配对时，基于活性炭阴极和有机聚合物阳极的水系钠离子混合电池(ASIHBs) 在1 C下提供了80 mAh g^-1的高容量(1 C = 150 mA g^-1)，并且在-50℃时在4 C下提供8000次循环寿命。令人鼓舞的是，这种袋状电池可以为智能手机充电以用于潜在的应用。这种电解质改性策略为探索超低温ASIHBs的优异电化学性能开辟了新的途径。

图文速递

图1

(a)低温水性电解质中使用的不同有机溶液的物理化学性质的比较。纯FA溶液的燃烧试验照片：操作前(b)、操作中(c)和操作后(d)。各种纯有机溶液的燃烧试验照片：AN (e)、DMSO (f)、EG (g)和MeOH (h)。(i) 分别在25℃和-50℃条件下，水与FA体积比不同的溶液的光学图像。(j) 在加热速率为5℃ min^-1的条件下，水与FA体积比不同的溶液的DSC结果。

图2

(a)来自分子动力学(MD)模拟的纯水的优化结构和来自DFT计算的水分子之间的分子间相互作用。(b) 通过MD模拟得到优化溶液的结构，通过DFT计算得到H2O-FA簇间的分子间相互作用。MD计算结果表明，在25℃下，不同溶剂的密度演化：(c)纯水，(d)纯FA，(e)水与FA体积比为3:7的优化溶液。

图3

(a, b) H₂O与FA体积比不同的各种溶液的1H NMR谱。(c, d)纯H₂O、纯FA以及H₂O与FA体积比为3:7的混合物的FTIR光谱。(e, f)纯H2O、纯FA和H₂O与FA体积比为3:7的混合物的拉曼光谱。(g)从优化解的QC计算得到H₂O-FA团簇中不同官能团的振动演化。

图4

不同电解质在冷却过程中的偏光显微镜观察: (NaClO₄)1.7-(H2O)5.5(a)和(NaClO₄)1.7-(H₂O)5.5-(FA)5.81(b)。(c)循环伏安法得到的水性电解质的ESW。(NaClO₄)1.7-(H₂O)_5.5电解质(d)和(NaClO₄)_1.7-(H₂O)_5.5-(FA)_5.81电解质(e)在不同温度下的离子电导率。

图5

(a)全电池在-50℃时在1 C下的循环性能，(b)全电池在-50℃时从1 C到8 C下的速率性能，(C)在-50℃时在4 C的速率下的长循环寿命测试，(d)袋状电池的示意图。(e)在-50℃下点亮发光二极管的袋状电池的数码照片。(f)在-50℃下为由袋状电池供电的智能手机充电。

研究结论

综上所述，采用强极性溶剂FA作为(NaClO₄)1.7-(H₂O)_5.5的共溶剂，首次报道了用于超低温ASIHBs的新型(NaClO₄)_1.7-(H₂O)_5.5-(FA)_5.81电解质。实验观察、偏光显微镜和DSC结果表明，优化后的溶剂具有极低的凝固点(＜-50℃)。混合溶液中羰基、氨基和羟基之间的氢键网络被重构，这是其抗冻机理的主要原因。电化学测试证实，合理设计的(NaClO₄)_1.7-(H₂O)_5.5-(FA)_5.81电解液在-50℃时具有较宽的ESW (＞3.0V)和良好的离子电导率(1.75 mS cm^-1)。有了这些优点，全电池表现出优异的超低温度性能，包括在-50℃时在4 C下优越的8000次循环寿命。更吸引人的是，组装的袋电池可以点亮LED灯泡，并在零下50℃为智能手机充电。受此启发，本文的工作为深化对低温水性电解质的基本认识提供了一种新的策略，该策略可推广到低温水系可充电电池。

文章链接

Aqueous Sodium Ion Hybrid Batteries with Ultra-long Cycle Life at -50
Kunjie Zhu，Zhiqin Sun，Zhaopeng Li，Pei Liu，Xuchun Chen，Lifang Jiao*
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2022.09.019