Advanced Energy Materials:双盐低浓度电解液提升锂金属电池性能

锂金属由于具有理论比容量高(3860 mAh g-1)和氧化还原电位低(-3.04 V,相对于标准氢电极)的优势,被誉为二次电池的“圣杯”。但是金属锂负极在充放电过程中会导致电解液还原分解,并在表面生长锂枝晶,从而缩短了电池的循环寿命,同时带来了极大的安全隐患。使用高锂盐浓度(>2.5 mol/L)的电解液有利于构建稳定的固体电解质界面(SEI),在抑制电解液分解和锂枝晶生长方面具有良好的效果,成为近年电池领域的研究热点。但是较高的锂盐浓度会导致电解液成本成倍上涨、体系粘度上升,因此限制了相关技术的实际应用。

合肥工业大学项宏发教授课题组与中国科学技术大学余彦教授课题组合作,基于界面稳定策略设计了0.1 M LiDFP + 0.4 M LiBOB/LiFSI/LiTFSI的双盐低浓度电解液,该低浓电解液不但具有低粘度和低成本优势,并且通过构建稳定的SEI膜,有效解决了锂金属电池中界面副反应和锂枝晶生长的问题,提高了电池的循环稳定性和安全性。相关结果发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.202001440)上。

研究人员构建了三种LiDFP基的低浓度双盐电解液:0.1 M LiDFP + 0.4 M LiBOB/LiFSI/LiTFSI,由于电解液较低的锂盐浓度,表现出低粘度和良好的隔膜/电极润湿能力。其中, LiDFP-LiFSI和LiDFP-LiTFSI电解液表现出较高的电导率。通过对Li||Cu电池和Li||Li对称电池的测试后发现, LiDFP-LiBOB电解液的电池表现出最高的库伦效率和最稳定的循环性能。拆解电池后观测到的锂负极仍然保持了金属光泽,且具有均匀平整的微观形貌。第一性原理计算结果表明LiDFP和LiBOB具有更高的还原性,对 SEI膜的进一步表征也发现其组成主要来源于这两种盐的分解产物。由此证明电池的性能决定于电解液-电极的界面特性而非电解液的电导率。受益于LiDFP和LiBOB的协同作用,所形成的SEI膜具有更高的电导率和韧性,在促进锂离子均匀沉积的同时也能够适应负极的体积变化,此结果也在Li|| LiFePO4电池中得到了验证。由于该类低浓度电解液的成本只有常规浓度电解液成本的60%左右,使该类低浓度电解液具有巨大的实用价值和广阔的应用空间。