【摘要】 通过XPS与SEM技术，揭示水合物熔融电解液中SEI钝化膜的形成机制。研究证实铝电极在LiTFSI/H2O体系中通过阴离子衍生SEI膜抑制析氢反应，盐浓度超0.7M时离子对结构显著降低阴离子LUMO能级，为开发4.0V以上高压水系锂离子电池提供理论支持。

在新型水系锂离子电池研发中，水合物熔融电解液的异常电化学稳定性引发学界关注。研究发现，通过调控电极界面化学特性与电解质浓度，可显著提升电池的氧化还原稳定性，这为开发安全高压水系电池提供了新方向。

 

一、SEI钝化膜的关键作用机制

通过X射线光电子能谱（XPS）和扫描电镜（SEM）表面分析发现（图1），固体电解质界面相（SEI）的形成机理呈现浓度依赖性特征：

1.高浓度电解液中，阴离子衍生的SEI膜通过动力学抑制水分子还原反应

2.锂离子配位作用稳定水分子结构，使SEI膜在水合物熔体中保持稳定

3.低催化活性金属电极（如铝）可有效抑制析氢副反应

图1 在扫描速率为0.1 mV s−1的条件下，用CV评价了稀释1.0 M

 

二、电极材料与浓度协同效应

实验数据显示（图2）：

  • ​铝电极在1.0M LiTFSI/H2O体系中检测到LiF(684-686eV)、-SO2CF3(688eV)等特征峰
  • ​铂电极在稀释电解液中未表现出显著阴极极限扩展
  • 盐浓度超过0.7M时，离子对形成显著降低阴离子LUMO能级

图2 （a） 1.0 M LiTFSI/H2O和（b） LiTFSI/H2O和Li（TFSI）0.7（BETI）0.3·2H2O水合物熔液中Al电极的XPS F 1s、N 1s、S 2p和Al 2p光谱。Al电极仅在每种电解质中浸泡24小时（用OCP表示）或进行电位扫描（0.1 mV s−1），降低到2.0 V或1.8 V vs Li+ /Li。

 

三、技术突破与产业应用

该研究揭示了通过表面工程调控SEI形成的新路径：

  • 金属电极涂层技术可优化界面化学环境
  • 水合物熔体结构实现Li+强配位稳定
  • 阴离子衍生SEI膜动力学控制策略
    这些发现已发表于《ACS应用材料与界面》（DOI:10.1021/acsami.9b45554），为开发4.0V以上水系锂离子电池奠定理论基础。

 

参考文献：1.Ko, S.;  Yamada, Y.; Yamada, A., Formation of a Solid Electrolyte Interphase in Hydrate-Melt Electrolytes. ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11 （49）, 45554-45560.

 

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