Wasserbasierte Elektrolyte zeichnen sich durch ihre überlegene thermische Stabilität, Umweltfreundlichkeit und hohe Ionenleitfähigkeit aus. Aufgrund der hohen Reaktivität des Wassers in Elektrolyten treten jedoch unvermeidlich wasserinduzierte parasitäre Reaktionen wie Wasserstoff- oder Sauerstoffentwicklungsreaktionen (HER und OER) auf, die die coulombische Effizienz (CE) des Lade-Entlade-Zyklus verringern. Darüber hinaus führen konsistente Entwicklungsreaktionen zu lokalen pH-Änderungen, die langfristig für die Verschlechterung des aktiven Materials und folglich für die Zykluslebensdauer der Elektroden verantwortlich sind. Molekulare Crowding-wässrige Elektrolyte ermöglichen ein breiteres Betriebs-Spannungsfenster, indem sie Wassermoleküle im Wasserstoffbrückennetzwerk zwischen Crowding-Agenten und Wasser einschließen. Infolgedessen wird die Wasseraktivität signifikant reduziert und die Wasserspaltung unterdrückt. Glycerin mit drei Hydroxylgruppen pro Molekül und hochpolares DMSO sind geeignete Kandidaten für molekulare Crowding-Agenten.
Hier zeigen wir eine Methode zur Entwicklung von zwei Arten sicherer, kostengünstiger und hochspannungsfähiger wässriger Elektrolyte und vergleichen sie mit organischen Elektrolyten. In dieser Studie wird NTP mit NASICON-Struktur, das vielversprechendste, jedoch sowohl unter OER als auch HER leidende SIB-Anodenmaterial, in zwei Serien molekularer Crowding-Elektrolyte untersucht. NaNO3, ein einfaches und erschwingliches, aber hochlösliches und elektrochemisch stabiles Salz in Kombination mit DMSO und Glycerin, verbessert die Kapazitätserhaltung von NTP-basierten Anoden auf Werte, die mit gängigen organischen Elektrolyten erzielt werden. Vollständige NTP-PBA-Zellen zeigten doppelt so hohe Anfangskapazitäten, bessere Effizienz und Kapazitätserhaltung im Vergleich zu einfachen wässrigen Elektrolyten.