鋰金屬電池（LMB）被認(rèn)為是下一代可充電池的重要候選者，但它存在著不穩(wěn)定的固體電解質(zhì)間相（SEI）和鋰負(fù)極上嚴(yán)重的鋰枝晶生長(zhǎng)問(wèn)題，特別是在極端條件下，如高倍率和低溫（LT）。

近日，北京航空航天大學(xué)王華教授、天津理工大學(xué)張晨光教授通過(guò)調(diào)節(jié)電解液化學(xué)成分，實(shí)現(xiàn)了高倍率和穩(wěn)定的低溫LMB。其中，一個(gè)弱的鋰離子溶劑化溶劑2-甲基四氫呋喃被用作電解液溶劑，以減輕Li+脫溶劑化的動(dòng)力學(xué)障礙。此外，還加入了具有高供體數(shù)的輔助溶劑四氫呋喃，以提高鋰鹽的LT溶解度，從而在保持弱鋰離子溶劑化效應(yīng)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了更好的離子傳導(dǎo)性。

此外，接觸-離子對(duì)中出現(xiàn)了豐富的FSI-陰離子，促進(jìn)了穩(wěn)定的富含LiF的SEI的形成。因此，Li||Li電池可以在-40℃下以10 mA cm-2的速度運(yùn)行，極化程度小至154 mV。同時(shí)，在8.0 mA cm-2的條件下實(shí)現(xiàn)了4000 mAh cm-2的出色累積循環(huán)容量，達(dá)到了LT堿金屬對(duì)稱(chēng)電池的最高紀(jì)錄。同時(shí)，在-40℃下實(shí)現(xiàn)了可充電的高倍率和穩(wěn)定的全電池。這項(xiàng)工作證明了電解液化學(xué)在協(xié)同調(diào)節(jié)離子傳輸動(dòng)力學(xué)和SEI方面的優(yōu)越性，從而在低溫下實(shí)現(xiàn)超高速和穩(wěn)定的可充電LMBs。

文章要點(diǎn)：

1. 這項(xiàng)工作通過(guò)調(diào)整電解液的溶劑化結(jié)構(gòu)，提出了一種高倍率和穩(wěn)定的LT LMB。

2. 由于Li+與溶劑2-甲基四氫呋喃（MTHF）之間的弱相互作用，以及助溶劑四氫呋喃（THF）的高鋰鹽溶解能力，獲得了具有高離子電導(dǎo)率的弱溶劑化電解液，它顯示了快速離子擴(kuò)散和快速電荷轉(zhuǎn)移。

3. 受益于接觸離子對(duì)（CIPs）中豐富的雙（氟磺酰）亞胺鋰（LiFSI）衍生的FSI-，在鋰金屬負(fù)極上形成了穩(wěn)定的陰離子衍生的LiF富集SEI層，確保了鋰金屬負(fù)極的平滑沉積，從而提高了鋰金屬負(fù)極的循環(huán)性。

4. 在LT堿金屬對(duì)稱(chēng)電池中實(shí)現(xiàn)了領(lǐng)先水平的電流密度和累積循環(huán)容量。總體而言，這項(xiàng)研究提出了電解液化學(xué)在協(xié)同調(diào)節(jié)離子轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)和SEI方面的巨大優(yōu)勢(shì)，以實(shí)現(xiàn)超快和穩(wěn)定的LT LMBs。

圖1 電解液分子結(jié)構(gòu)的理論和實(shí)驗(yàn)分析

圖2 鋰金屬負(fù)極在低溫下的電化學(xué)性能

圖3 低溫下鋰金屬負(fù)極上SEI成分的表征

圖4 低溫全電池性能

原文鏈接： https://doi.org/10.1002/adfm.202212349






審核編輯：劉清