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Small‐Dipole‐Molecule‐Containing Electrolytes for High‐Voltage Aqueous Rechargeable Batteries

材料科学 水溶液 电解质 溶剂化 分子 电化学 电化学窗口 锂(药物) 化学工程 无机化学 纳米技术 化学物理 离子电导率 化学 物理化学 有机化学 电极 医学 工程类 内分泌学
作者
Zhaodong Huang,Tairan Wang,Xinliang Li,Huilin Cui,Guojin Liang,Qi Yang,Ze Chen,Ao Chen,Ying Guo,Jun Fan,Chunyi Zhi
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:34 (4) 被引量:112
标识
DOI:10.1002/adma.202106180
摘要

High-voltage aqueous rechargeable batteries are promising competitors for next-generation energy storage systems with safety and high specific energy, but they are limited by the absence of low-cost aqueous electrolytes with a wide electrochemical stability window (ESW). The decomposition of aqueous electrolytes is mainly facilitated by the hydrogen bond network between water molecules and the water molecules in the solvation sheath. Here, three types of small dipole molecules (small molecules containing a dipole; glycerol (Gly), erythritol (Et), and acrylamide (AM)) are reported to develop aqueous electrolytes with high safety and wide ESW (over 2.5 V) for aqueous lithium-, sodium-, and zinc-ion batteries, respectively. The solvation-sheath structures are explored by ab initio molecular dynamics (MD) simulations, demonstrating that three types of dipole molecules deplete the water molecules in the solvation sheath of the charge carrier and break the hydrogen bond network between the water molecules, thus effectively expanding the ESW. A battery constructed from lithium titanate and lithium manganate in Gly-containing electrolyte exhibits an output voltage of 2.45 V and retains a specific capacity of 119.6 mAh g-1 after 400 cycles. This work provides another strategy for exploiting low-cost high-voltage electrolytes for aqueous energy-storage systems.
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