电解液添加剂调控金属锂界面抑制锂枝晶及其在高比能三元锂电池中应用

锂离子电池的商用化有效推动了电子产业的发展,而如今智能手机、电动汽车,大型电网等对于锂离子电池能量密度的需求已经超过现有锂离子电池的技术水平。基于插嵌原理的锂离子电池,经过近20年的飞速发展,其能量密度已接近理论极限,这主要受制于石墨负极有限的理论比容量(372 mAh g-1)。相比而言,锂金属负极的理论比容量为3860 mAh g-1,并具有最低的还原电势(3.040 V vs. 标准氢电极),可大幅提升电池的能量密度(如锂硫电池、锂空电池),是极具应用前景的负极材料。

锂金属负极的研究始于20世纪70年代,但受制于安全因素,始终没有实现大规模商用化。金属锂负极在电池的充放电过程中不均匀沉积,生成树枝状的枝晶锂,容易刺穿隔膜,导致电池内部短路,存在极大的安全隐患。因此,实现锂离子在充放电过程中的均匀沉积对锂负极应用具有十分重要的意义。

金属锂与电解液接触时会在表面生成一层固态电解质界面膜(SEI),其结构和组成对金属锂的均匀沉积有至关重要的作用,而电解液添加剂是一种有效改善电池循环、稳定性能的手段,能在商业化生产中大规模推广。

AFM-zhangqiang

电解液添加剂原位调控SEI的组成实现锂的均匀沉积

清华大学张强课题组提出在不改变电解液物化性质的前提下,通过引入电解液添加剂原位调控SEI的组成实现锂的均匀沉积。理论计算表明:氟代碳酸乙烯酯(FEC)具有更低LUMO能级,在与金属锂负极接触时能先于电解液溶剂还原分解,在锂负极表面生成LiF,SEI中LiF能实现锂离子均匀沉积和有效利用。采用锂铜半电池中库伦效率可提升至98%,有效减少“死锂”形成,实现锂的均匀致密沉积。FEC应用于高能的三元锂电池中,能有效降低电池极化电压,实现金属锂均匀沉积,延长锂电池循环寿命。

该工作研究结果不仅对于高能三元锂电池有应用层面意义,对于其他锂金属电池的研究,如锂硫电池、锂空电池,也具有借鉴意义。相关工作发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201605989)。本文由清华大学化工系研究生张学强、程新兵、陈翔、闫崇共同完成,通讯作者为清华大学张强。

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