高性能有机锂电池:电极材料与电解液的双重优化

as

基于9,10-蒽醌/CMK-3纳米复合正极材料和醚类电解液的高性能有机锂电池结构示意图

有机电极材料特别是有机羰基化合物由于具有比容量高、分子可设计性强和来源广泛等优点,近些年来备受关注。然而有机电极材料目前还存在两大问题:一是有机电极材料的电子电导率一般较低,导致差的倍率性能和低的活性物质利用率;另一问题是有机电极材料在常用电解液(如1M LiPF6的碳酸乙烯酯/碳酸二乙酯混合溶液)的溶解度较高,造成活性物质的损失,影响其循环性能。最近,为了解决上述问题,南开大学陈军教授课题组利用纳米多孔碳材料与有机羰基化合物复合制备了高导电率的有机-无机复合电极,结合电解液的优化和改进,获得了具有良好循环与倍率性能的有机锂电池,相关结果发表在Adv. Sci.上

本工作研究发现,有序介孔碳CMK-3不仅可以提高有机电极材料的电导率,还对有机电极材料有一定的纳米限域作用,使其束缚在CMK-3的孔道中,减缓了其在电解液中的溶解。电解液方面,使用含高浓度锂盐和LiNO3添加剂的醚类电解液,不仅可以进一步降低有机电极材料的溶解度,还可在锂片表面形成一层保护膜,阻止溶解的电极材料与锂负极进一步反应。经过优化,含1%LiNO3的2M LiN(CF3SO2)2的DOL/DME溶液作为电解液时表现出最优性能。AQ/CMK-3复合物在0.2C倍率下展示出205 mAh/g的初始容量,循环100周后,容量保持率为84.9%,在2C的较高倍率下,放电容量仍有146 mAh/g。此外,将CMK-3与该电解液应用于其他四种醌类羰基化合物,也可展示出较好的循环性能。本工作提出的有机物/CMK-3复合材料与醚类电解液相结合的策略为发展高性能有机锂电池提供了新的思路。