Advanced Functional Materials:氟苯作为低密度,经济和双功能的共溶剂用于实用化的锂金属电池

锂金属负极具有超高的理论比容量(3860 mAh/g)和极低的氧化还原电位(-3.04 V对比标准氢电极),被视为下一代高能量密度电池的理想负极材料。但其实际应用严格受制于其有限的循环寿命,这是由于在循环过程中锂的不均匀沉积会导致的锂枝晶无序生长,以及不稳定的界面会导致锂与电解液的持续反应。大量研究表明,高浓度电解质可以显著降低自由溶剂分子的量并生成稳定的界面层,从而能提高锂负极的循环寿命,但高浓电解液同样会带来高的电解液密度,大的粘度以及高昂的成本等缺点。通过在高浓度电解液中添加共溶剂可以有效的稀释高浓电解液,从而大大降低其粘度,并得到比高浓电解液更优异的性能结果。然而,目前使用的大多数共溶剂集中在多氟醚类化合物,此类化合物具有相当高的密度(通常大于1.4 g/cm3)和高昂的成本,这对锂金属电池的能量密度以及实际应用仍然具有显著的不利条件。因此,迫切需要开发出一种低密度、低成本的新型共溶剂用于稀释高浓电解液。

华中科技大学谢佳教授研究团队基于以上考虑提出用一种广泛使用的工业原料——氟苯作为高浓电解液的新型共溶剂,以获得低密度且低成本的稀释高浓电解液,相关成果发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.202005991)上。

研究发现,氟苯不仅能够增强Li+与DME的相互作用,从而能够在一定程度上抑制DME的分解;而且氟苯能够在锂负极表面还原生成LiF,从而能够更快的获得致密的界面保护层。基于这种双功能特性,氟苯稀释的高浓电解液不仅能够显著提高锂负极的稳定性和库伦效率(稳定循环超过500圈,平均库伦效率为99.3%),并且能够在一系列实用化的全电池测试条件下(包括高面容量,低温环境,大电流密度,低电解液用量和超薄锂负极)均获得优异的循环性能。这项工作开辟了一类新型的化合物用作锂金属电池的电解液,这对后续新型电解液的研发具有重要意义。