Advanced Energy Materials:用于高安全高性能锂金属电池的离子液体基局部高浓度电解液

锂金属负极因其极高的理论比容量(3860 mA h g-1),低的电化学电位(-3.04 V vs. 标准氢电极)和低的密度(0.59 g cm-3)而备受广大研究学者的青睐,成为新一代极具前景的高能量密度负极材料。但是在实际应用中,它们仍然存在一些尚未解决的问题。一方面,商业有机电解液在锂金属表面形成不稳定的固体电解质中间相(SEI),以及锂枝晶和死锂的生成,会持续消耗电解液,导致电池性能下降;另一方面,持续生长的锂枝晶会刺穿隔膜,导致电池发生内短路从而引起热失控,同时传统碳酸酯类有机电解液极易参与燃烧反应,从而造成严重的安全隐患。

为了解决上述问题,中科院苏州纳米所吴晓东团队设计了一种基于不燃的离子液体和低粘度的氢氟醚稀释剂的局部高浓度电解液。一方面可以改善离子液体本身存在的粘度高、隔膜浸润性差、离子电导率低、成本高的缺点;另一方面也可以保证电解液本身的阻燃性和高的电化学窗口,大大提高电池的安全性能。同时,本工作通过研究和调控锂离子溶剂化结构,使得锂离子溶剂化层中主要由FSI阴离子构成,有利于促进阴离子在锂金属负极表面优先分解形成稳定的无机SEI层,从而获得均匀致密的锂沉积形貌。采用该类电解液的锂金属电池表现出了优异的倍率和长循环性能。

图1. 局部高浓度离子液体基电解液物理化学性质及锂离子溶剂化结构分析

图2. 不同电解液中锂金属沉积形貌及锂金属电池电化学性能对比

本文的第一作者是苏州纳米所博士生王志诚,通讯作者为苏州纳米所吴晓东研究员、许晶晶副研究员以及苏州大学胡建臣副教授。

论文信息:

Intrinsically Nonflammable Ionic Liquid-Based Localized Highly Concentrated Electrolytes Enable High-Performance Li-Metal Batteries

Zhicheng Wang, Fengrui Zhang, Yiyang Sun, Lei Zheng, Yanbin Shen, Daosong Fu, Wanfei Li, Anran Pan, Lei Wang, Jingjing Xu*, Jianchen Hu*, and Xiaodong Wu*

Advanced Energy Materials

DOI: 10.1002/aenm.202003752