Advanced Energy Materials:新型双盐局域高浓度电解液助力实现高电压、宽温域工作的高性能锂电池

随着交通工具的日趋电动化,人们对锂电池的安全性、能量密度和低温工作性能提出了更高的要求。电池的能量密度一般由电极材料的平台电压和放电比容量共同决定,而电解液的耐高压性是实现电极材料高电压充放电的前提;低温工作环境下,电解液可能会发生凝固从而使得电化学性能降低。因而开发一种低温可用的高电压功能电解液成为新的目标和挑战。高浓度电解液溶剂挥发少,为锂电池高安全性提供了保障;而通过加入稀释剂得到的局部高浓度电解液,有效弥补了高浓度电解液锂盐成本高、粘度高以及浸润性差等不足,使得电池能够维持良好的电化学性能,是一种极具潜力的高性能锂电池用新型电解液。

厦门大学赵金保课题组报道了一种浓度为2 M的新型双盐局部高浓度电解液。其溶剂包含高电压砜类溶剂TMS(环丁砜)和低凝固点共溶剂EA(乙酸乙酯),锂盐选择了LiTFSI(双三氟甲基磺酰亚胺锂)和LiDFOB(二氟草酸硼酸锂)并辅助一定量稀释剂HFE(1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚)和10%wt的添加剂FEC(氟代碳酸乙烯酯)。通过功能设计得到的电解液使得Li||LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2锂电池在4.6 V高电压和-40 °C低温下具有良好的循环稳定性,并可实现10 C大电流密度条件下的快速充放电。

研究人员对比了不同浓度LiTFSI单盐TMS/EA基电解液、LiTFSI和LiDFOB双盐TMS/EA基电解液以及相应的不同浓度局部高浓度电解液的理化性质,结合傅里叶变换-红外光谱(FT-IR)、核磁共振锂谱(7Li-NMR)以及分子动力学(MD)模拟等揭示了低浓度电解液、高浓度电解液以及局部高浓度电解液的微观结构差异性。结果表明随着电解液浓度的提高,锂盐阴离子与锂离子的相互作用增强,其配位数显著增加到2个左右;而稀释剂的加入并不会改变原溶剂和阴离子与锂离子的配位情况,只是打破了溶剂之间的三维网状铰链溶液结构从而有效降低了粘度。此外,研究人员还利用MD模拟及7Li-NMR等表征手段对高浓度电解液到局部高浓度电解液的优化转变本质进行了探究,发现钝化膜的生成对电解液氧化稳定性的提高至关重要,而稀释剂和添加剂的结合更能实现电化学性能的提升。该研究工作对新型局部高浓度功能电解液的设计提供了更多思路,也对高电压和低温电解液的设计具有一定的借鉴意义。

论文信息:

A functional dual-salt localized high-concentration electrolyte for fast dynamic high-voltage lithium battery in wide temperature range

Shuangshuang Lin, Haiming Hua, Pengbin Lai, Jinbao Zhao*

Advanced Energy Materials

DOI: 10.1002/aenm.202101775

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202101775