近年来，水系二次电池因为安全、绿色和低成本受到关注，但受限于水系电解液电化学窗口窄，水系二次电池存在输出电压低，能量密度低，自放电高以及循环寿命差等问题，难以推广应用。为了实现宽电位水系电解液，超高盐浓度Water-in-salt电解液被提出，通过提高盐浓度实现溶剂-离子相互作用调制降低水的电化学活性和实现SEI离子导体钝化膜，将水系电解液电化学窗口拓宽至3V及以上（Science 350，6263，2015；JACS 139，51，2017）。但是，伴随着电解液盐浓度的不断提升，电解液粘度急速上升，电导率快速下降，固液转化温度趋于室温，导致超高盐浓度WIS电解液动力学性能和低温性能变差、电解液成本升高等问题。因此，如何在宽电位电解液中实现优异的动力学性能和低温性能和低成本，成为水系电解液和水系二次电池面临的关键技术挑战。

　　近期，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心怀柔研究部、清洁能源实验室博士岳金明在研究员索鎏敏指导下，在研究不同溶解气体对SEI膜形成和稳定影响过程中（图1、2），发现LiTFSI水溶液与CO2之间存在特殊的强相互作用，该作用可以促使形成富CO2电解液体系，并在随后的电化学过程中在负极还原形成Li2CO3，实现SEI膜动力学保护，从而实现电解液电化学窗口的拓宽。进一步研究发现，这种强相互作用对盐的浓度具有依赖性，并呈现先增后减的趋势，在低盐浓度5 m LiTFSI（Salt-in-Water，SIW）时最强（图4）。与传统超高盐浓度WIS（21 LiTFSI-H2O）电解液相比，CO2-SIW电解液不但具有相当的宽电化学窗口，而且离子电导率是前者的10倍，粘度降低了一个数量级，固-液转变温度下降了50度（为-40℃）, 成本降低了44 %（图3），这些物理化学变化为未来设计低成本、高性能、高电压水系电池提供更大空间。

　　研究进一步提出采用富CO2的低盐浓度电解液 (5 m LiTFSI)（CO2-SIW）来实现高电压水系锂离子电池 ( 2 V)，采用该类电解液的2V水系锂离子电池（LiMn2O4-Mo6S8）表现出优良的电化学性能，并且循环过后的Mo6S8负极表面形成了有效的SEI钝化膜（图5）。得益于低盐浓度电导率高、粘度低、液相点温度低等优势，水系锂离子全电池动力学性能和低温性能得到了大幅提升，主要表现为在超厚和高载量电极（334 um，40 mg/cm2）以及-40 ℃低温条件下可以稳定高效工作，这是原有超高盐浓度WIS电解液无法实现的（图6）。

　　该工作研究成果总结如下：（1）利用三电极装置模拟了电池环境中溶解气体的还原，精确测定了CO2、O2的还原电位及相应还原产物。（CO2→Li2CO3，2.58 V vs. Li/Li+；（2）O2→Li2O2，2.68 V vs. Li/Li+）（图1、2）；（2）根据傅立叶变换红外光谱和核磁共振的结果，结合MD模拟，证实了CO2与TFSI阴离子之间存在强相互作用且在5 m处达到最大，导致5 m中CO2处于一种富集和稳定的状态，不易被吹扫等物理方法清除（图4）；（3）在CO2-SIW电解液中，全电池（LiMn2O4-Mo6S8）在低倍率和高倍率下均具有良好的循环稳定性，在0.5 C下进行100次循环后容量保持90 %（初始容量：95.94 mAh/g，100次循环：86.12 mAh/g），在2 C下进行2000次循环后容量保持近70 %（初始容量：83.12 mAh/g，100次循环：57.50 mAh/g）（图5a-d）；（4）在CO2-SIW电解液中,全电池（LiMn2O4-Mo6S8）表现出更好的动力学性能。与WIS相比，CO2-SIW不仅具有更好的倍率性能，在15 C时容量保持率高达70 %，而且使用 300 um以上的超厚Mo6S8电极（面载量为 40 mg/cm2）时，依然可以实现90 mAh/g的初始容量，50周之后的保持率高达88 %。它在-40 ℃也能正常工作, 在0.5 C时可以保持70 mAh/g的容量且90周之后无明显衰减趋势（图6）；（5）首次在低浓度电解质溶液中形成了稳定的SEI。在CO2-SIW电解液中，全电池循环前和循环后的Nyquist图和XPS光谱结果显示，Li2CO3富集在SEI的外层，LiF富集在SEI的内层（图5e-f）。

　　另外，高盐浓度LiNO3电解液在水系锂离子电池中已经应用几十年（JES 142，6，1995），同样存在溶解O2和CO2，却未发现有Li2O或Li2O2或Li2CO3的形成，说明除了高盐浓度之外，阴离子化学也是诱导形成SEI膜的关键，与研究结果一致。即溶解CO2与TFSI阴离子间独特的强相互作用使得CO2得以在SIW电解液中以一种富集稳定的状态存在，进而被还原生成SEI起到保护作用。

　　研究工作首次发现了LiTFSI-CO2之间存在特殊相互作用，这种存在于锂盐-气体-水间的新化学态为实现高电压水系电池提供了全新的界面调控手段，使得开发宽电位水系电解液不在单纯依赖超高盐浓度来实现，为宽电位水系电解液的设计开发提供了新思路。

　　相关研究成果以Aqueous interphase formed by CO2 brings electrolytes back to salt-in-water regime为题，发表在Nature Chemistry上。研究工作得到国家自然科学基金、物理所、北京凝聚态物理国家研究中心、北京清洁能源前沿研究中心、怀柔清洁能源材料测试诊断与研发平台以及北京材料基因工程高精尖创新中心的支持。

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