在过去的二十年里，锂离子电池 (LIB) 作为各种电子设备和车辆的首选电源而变得非常受欢迎。尽管锂离子电池对现代社会产生的变革性影响怎么强调都不为过，但这项技术也有不少不容忽视的缺点。其中包括锂的供应有限以及安全和环境问题。这些缺点促使世界各地的科学家寻找替代电池技术，例如水电池。钾离子电池(KIB)就是一个突出的例子。这些电池由丰富的可用材料制成，比锂离子电池安全得多。此外，KIB 可以利用盐包水电解质 (WISE)，这使得它们的热稳定性和化学稳定性更加稳定。

然而，防止负极析氢以使其稳定是高压水系电池的主要挑战。虽然这些电极和电解质溶液之间形成的固体电解质界面(SEI)有助于稳定LIB中的电极(通过防止电解质分解和电池自放电)，但它们在KIB中的研究却很少。

为了解决这一重大知识差距，东京理科大学 (TUS) 的一个研究团队最近进行了一项开创性研究，以深入了解 SEI 的形成及其在基于 WISE 的 KIB 中的特性。他们的研究结果于 2023 年 8 月 18 日在线发表在《Angewandte Chemie 国际版》杂志上。这项研究由启蒙大学教授 Shinichi Komaba 领导，由初级副教授 Ryoichi Tatara、Zachary T. Gossage 博士和 Nanako 女士共同撰写伊藤，都来自启迪。

研究人员主要采用两种先进的分析技术——扫描电化学显微镜(SECM)和原位电化学质谱(OEMS)——来实时观察SEI在具有3,4,9,10-的KIB运行过程中如何形成和反应。苝四甲酰二亚胺负极和团队在前期研究中开发的WISE 55 mol/kg K(FSA) 0.6 (OTf) 0.4 ∙1H 2 O。

实验表明，SEI 在 WISE 中形成了类似于 LIB 中的钝化层，具有缓慢的表观电子转移速率，有助于抑制析氢。这可以保证KIB的稳定性能和更高的耐用性。然而，研究人员观察到，在较高的工作电压下，SEI 层的覆盖不完整，导致析氢。

综上所述，结果表明需要探索增强未来水系电池中 SEI 形成的潜在途径。“虽然我们的结果揭示了在特定 WISE 中发现的 SEI 的特性和稳定性的有趣细节，但我们还应该专注于加强 SEI 网络以实现改进的功能， ”Komaba 教授评论道。“ SEI 或许可以通过开发产生独特 SEI 的其他电解质来改善，也可以通过加入电解质添加剂或电极表面预处理来改善。”

这项研究还强调了 SECM 和 OEMS 在深入了解下一代电池中电极-电解质相互作用方面的力量。“这些技术为跟踪 SEI 的发展、覆盖范围、离子转移和稳定性提供了强大的手段，并且可以轻松适应各种电解质和电极，”Komaba 教授解释道。“我们希望这项工作能够鼓励其他研究人员进一步探索 SECM 和 OEMS 作为先进的表征方法，这些方法可以与传统的电池测量相结合，以获得更深入的见解。”

KIB 等水性电池的开发将有助于未来社会的可持续发展，因为它们可以取代目前在电动汽车、智能电网、可再生能源系统和海洋应用中使用的昂贵且危险的 LIB。通过使能源存储变得更容易，水性电池将有助于向碳中性能源生产过渡，为更绿色的未来铺平道路。

运气好的话，进一步的研究将很快让我们找到有希望的 LIB 替代品!