傳統(tǒng)的鋰離子（Li+）電池已難以滿足越來越輕、越來越薄的電化學儲能系統(tǒng)的市場需求。鋰（Li）金屬陽極的低還原電位（-3.04 V vs SHE）和高理論比容量（3860 mAh g-1）最終使鋰金屬電池成為實現(xiàn)更高比能量密度的有希望的候選電池。然而，當考慮到循環(huán)穩(wěn)定性、庫侖效率和使用壽命時，鋰金屬電池面臨許多挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)主要由鋰枝晶的不可控生長、鋰陽極的體積變化以及固體電解質(zhì)界面（SEI）的破壞引起的。電解液的濃度對可充電電池的性能有顯著影響。過去的的研究主要集中在濃縮電解質(zhì)上。到目前為止，只研究了幾種低濃度電解質(zhì)配方，在先進的可充電電池中表現(xiàn)出更好的性能。基于常見的電解質(zhì)組分，中南大學吳飛翔教授提出了一種用于LiCoO2||Li電池的新型低濃度電解質(zhì)（LCE），采用由溶劑化于碳酸氟乙烯酯（FEC）和碳酸甲乙酯（EMC）中的0.2M六氟磷酸鋰（LiPF6）組成。結(jié)果顯示，這種低濃度電解質(zhì)顯著提高了Li||Li對稱電池和高壓LiCoO2||Li電池的電化學性能。相關工作以“A Low-Concentration
Electrolyte for High-Voltage Lithium-Metal Batteries: Fluorinated Solvation Shell
and Low Salt Concentration Effect”為題發(fā)表在國際著名期刊Angewandte
Chemie International Edition上。要點1. 這種新型的電解質(zhì)是由溶劑化于碳酸氟乙烯酯（FEC）和碳酸甲乙酯（EMC）中的0.2
M六氟磷酸鋰（LiPF6）組成，體積比為1∶1。要點2. FEC是一種典型的氟化溶劑，用于構建具有高LiF含量的均勻且堅固的SEI層，這是由于FEC的較低LUMO和強吸電子的含F(xiàn)基團特性帶來的優(yōu)先還原。由于更高的還原電勢和更好的SEI膜形成工藝，EMC比DMC更適合與FEC配對。更重要的是，LCE可以大大減少電解質(zhì)的分解，抑制電解質(zhì)和鋰金屬陽極之間的副反應，并減輕SEI結(jié)構的破壞。因為LCE中較少的鹽產(chǎn)生較少的分解產(chǎn)物（如POxFy）和較少的氟化氫（通常會腐蝕SEI）。此外，富含LiF且堅固的SEI可以誘導均勻的Li+沉積并抑制鋰金屬陽極的枝晶生長。要點3. 與由碳酸亞乙酯（EC）和碳酸二甲酯（DMC）中的1 M
LiPF6和EC和DMC中的0.2 M LiPF2組成的商用電解質(zhì)相比，LCE顯著提高了Li||Li對稱電池和鋰金屬電池的循環(huán)穩(wěn)定性。Li||Li電池的循環(huán)壽命達到約2000小時，在1mA cm-2的電流密度下具有極低的過電位。LiCoO2||Li電池在0.5℃下300次循環(huán)后表現(xiàn)出91.1%的高容量保持率，并且在10℃下表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能，相當大的比容量為100mAh g-1該工作揭示了在溶劑化結(jié)構中引入含氟溶劑和低鹽濃度效應的協(xié)同作用機制，導致富含LiF、均勻且堅固的固體電解質(zhì)界面層和較少的不利分解產(chǎn)物。圖1. 鋰金屬剝離/電鍍性能和沉積形態(tài)。圖2. LiCoO2||Li電池在不同電解質(zhì)中的電化學性能。圖3. 各種電解質(zhì)的模擬結(jié)果和示意圖。圖4. 不同化學儲能系統(tǒng)的示意圖，其SEI形成過程，以及使用各種電解質(zhì)的鋰金屬電池的長期循環(huán)性能：（a）EC/DMC中的1 M LiPF6，（b）EC/DCC中的0.2 M LiPF4和（c）FEC/EMC中的0.2 M
LiPF6。A Low-Concentration Electrolyte for
High-Voltage Lithium-Metal Batteries: Fluorinated Solvation Shell and Low Salt
Concentration Effect
Rongyu
Deng, Fulu Chu, Felix Kwofie, Zengqiang Guan, Jieshuangyang Chen, Feixiang Wu*DOI: 10.1002/anie.202215866
|
