Small Structures:锂金属电池高浓度电解液展望

文章简介

以金属锂为负极的锂金属电池,由于其极高的能量密度(理论值3860 mAh/g),被认为是最具吸引力的下一代储能系统。然而,传统有机电解液可燃性高,热稳定性差,电化学窗口较窄以及离子转移数较低等缺点严重阻碍了电池的应用。高浓电解液(HCE),即盐浓度很高的电解液,可以有效克服传统电解液的缺点,其具有更高的离子转移数,更宽的电化学窗口,更高的热稳定性,低挥发性,良好阻燃性,以及高电压下可以钝化铝集流体的能力,为下一代电池的开发提供了新的方向。然而,HCE也面临一些挑战,如高粘度,高成本,因此,HCE进一步的研究和改善对于电池电化学性能的提高非常重要。

近日,湖南大学马建民教授课题组综述了近年来通过高浓电解液来稳定锂金属电池中锂金属阳极和阴极材料的研究进展(论文信息附后)。该综述对高浓电解液中固体电解质界面(SEI)和阴极电解质界面(CEI)的形成机理和性质进行了讨论,总结了高浓电解液的优缺点。对HCE中阴离子派生的SEI层、良好的阻燃性、保护阴极材料并抑制过渡金属的溶出,以及引入稀释剂的局部高浓电解液(LHCE)策略做了简要介绍。

最后,文章对锂金属电池中HCE和LHCE的主要挑战和前景做了总结,为电解液的合理设计提供了指导。挑战包括:1)粘度过高,浸润电极时间长;2)由于锂盐一般较有机溶剂昂贵,制备HCE锂盐用量大,增加了电解液制造成本。

图文导读

图1所示为HCE提升锂金属电池Li||LNMO电化学性能的例子。将LiN(SO2CF3)2(LiTFSA)与碳酸二甲酯(DMC)配置为HCE后,相比传统有机电解液,电池的稳定性和电压窗口都得到提升,且降低了电解液可燃性,改善了电池安全性。

1. 高浓电解液锂金属电池的性能和阻燃能力表征。

图2展示了提升电解液浓度有利于增加CEI稳定性,进而延长锂金属电池寿命。通过将LiPF6的浓度从1 M提高到3 M后,在正极Li1.2Ni0.15Fe0.1Mn0.55O2表面形成的CEI内部LiF含量增大,减弱了CEI在有机溶剂中的溶解倾向,从而能更好地保护正极材料。

图2. 高浓电解液锂金属电池的性能表征和CEI形成机理。

图3则辩证地体现了HCE高浓度带来的问题。从图中结果可见,虽然相比于传统有机电解液,HCE能够提升电池(Li||NMC)电容量和稳定性,但电容量仍出现可见的衰减。而引入稀释剂BTFE [双(2,2,2-三氟乙基)醚] 后,电池稳定性得到进一步提升。模拟实验和原位拉曼光谱表明BTFE的存在削弱了Li+与FSI的相互吸引,提高了电解液的离子导电性。

图3. 局部高浓电解液锂金属电池的性能表征,以及溶剂化计算和表征。

作者简介

姜高学,湖南大学物理与电子学院博士研究生。研究领域是储能器件:包括电解液和金属负极等。

马建民,湖南大学教授、博士生导师。担任Rare MetalsJournal of Energy ChemistryNano-Micro LettersChinese Chemical LettersJournal of Physics: Condensed Matter等期刊编委。曾获湖南省自然科学二等奖(1/6)、科睿唯安“高被引科学家”(2020),近年来聚焦电解液的理论基础与开发研究,在国内外期刊发表多篇论文。

论文信息:

Perspective on HighConcentration Electrolytes for Lithium Metal Batteries

Gaoxue Jiang, Fang Li, Huaping Wang, Mingguang Wu, Shihan Qi, Xinhua Liu, Shichun Yang, Jianmin Ma*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202000122