第 一作者：Yingchun Xia

通訊作者：劉凱

通訊單位：清華大學

【研究亮點】

傳統(tǒng)碳酸鹽基電解質對鋰金屬具有高腐蝕性，會導致大量枝晶生長和有限的循環(huán)壽命，對于具有高正極負載（>3.5?mAh?cm?2）的鋰金屬電池尤其如此。本文設計了一種不對稱鋰鹽，即1,1,1-三氟-N-[2-[2-(2-甲氧基乙氧基)乙氧基)]乙基]甲磺酰胺鋰(LiFEA)，它具有偽冠醚狀、折疊的分子幾何結構。它使碳酸鹽電解質具有較大的供體數(shù)和Li+轉移數(shù)，并驅動固態(tài)電解質界面的自清潔機制，即使在高電流密度下也能增強與鋰金屬負極的兼容性。基于LiFEA的碳酸鹽電解質顯著提高了Li?||NCM811電池的快速循環(huán)性能。310?Wh?kg?1的軟包電池在6.59?mA?cm?2的放電電流密度下達到~410?W?kg?1的功率密度。在快速循環(huán)條件下軟包電池在100次循環(huán)后仍保持81%的容量。

【主要內(nèi)容】

隨著當前石墨鋰離子電池正在接近其理論能量密度極限，鋰金屬電池（LMB）由于人們對高能量密度電池的迫切需求而引起了越來越多的關注。然而，LMB的發(fā)展一直受到有限的循環(huán)壽命和安全問題的困擾，這些問題是由于鋰金屬和電解質之間的副反應以及不穩(wěn)定或亞穩(wěn)態(tài)固態(tài)電解質界面(SEI)的形成而引起的。源自碳酸鹽電解質的低質量SEI加速了鋰枝晶的生長、SEI破裂和電解質的連續(xù)分解，并且表現(xiàn)出較差的電化學性能。鋰金屬腐蝕與電解質配方直接相關，因為負極上的SEI保護層是由鋰金屬/電解質的初始化學反應和電解質的重復電化學還原產(chǎn)生的。因此，迫切需要開發(fā)新的策略以構建堅固、無機物更豐富且均勻的SEI，以應對實際電池運行條件下的長循環(huán)。

鑒于此，清華大學劉凱教授團隊報告了一種類偽冠醚功能性鋰鹽LiFEA，用于實際LMB的快速充電/放電。與傳統(tǒng)的鋰鹽不同，LiFEA具有帶正電的醚部分和帶負電的CF3SO2N-結構，類似于兩性離子。LiFEA在碳酸酯溶劑中具有大偶極矩、高供體數(shù)和高Li+轉移數(shù)。此外，它還具有自清潔機制：清除SEI中一些不需要的有機物質，并逐漸富集無機物質。這種自清潔機制有利于生成致密且均勻的富含無機物的SEI。憑借這些突出的優(yōu)點，基于LiFEA的碳酸鹽電解質為高壓LMB顯著改善了高倍率性能和長循環(huán)性能。實際Li?||NCM811金屬軟包電池同時實現(xiàn)了高能量密度和功率密度，使電池級能量密度達到~310?Wh?kg?1和功率密度~410?W?kg?1。在快速循環(huán)條件下（充電：1.46?mA?cm?2，放電：3.66?mA?cm?2），軟包電池在100次循環(huán)后保留了81%的容量。本文工作表明，通過將鋰鹽的分子內(nèi)超結構與其物理化學性質（例如分子偶極供體數(shù)和Li+轉移數(shù)）相關聯(lián)，可以使用傳統(tǒng)碳酸鹽電解質形成高質量且穩(wěn)定的SEI，從而制造高性能鋰金屬電池。

Fig. 1 | Design principle of LiFEA.

Fig. 2 | Experimental and theoretical study on pseudo-crown ether-like folded structure of LiFEA.

Fig. 3 | Physicochemical properties of LiFEA and LiFEA-based electrolytes.

Fig. 4 | Electrochemical performance of Li?|?|NCM811 batteries.

Fig. 5 | Performance of Li?|?|NCM811 pouch cells under stringent conditions.

Fig. 6 | Dendrite-free Li-deposited morphologies and plating/stripping reversibility under high current densities.

Fig. 7 | LiFEA self-cleaning concept and results of EC-QCM experiments for SEIs.

Fig. 8 | Components of SEIs with different soaking electrolytes and cycling electrolytes.

【文獻信息】

Xia, Y., Zhou, P., Kong, X. et al. Designing an asymmetric ether-like lithium salt to enable fast-cycling high-energy lithium metal batteries. Nat Energy (2023). https://doi.org/10.1038/s41560-023-01282-z

Kim, HT. Leaching organics from the interphase. Nat Energy (2023). https://doi.org/10.1038/s41560-023-01281-0

論文原文鏈接：http://www.nyxr-home.com