Small:有效缓解有机负极溶解的新措施

研究背景

有机小分子材料具有易制备,可持续性和高理论容量的优点,是替代商用石墨作为锂离子电池(LIB)负极的潜力材料。然而,小分子材料往往在碳酸酯类电解液中易溶解,从而影响了电池长循环性能。目前解决方法大多集中在对材料改性上,这类工艺复杂且成本较高,不适用于大规模应用。因此,找寻一个能够有效缓解有机负极材料溶解问题的简便措施势在必行。

文章概述

哈尔滨工业大学(深圳)张嘉恒教授团队提出从电解液角度抑制有机小分子材料溶解问题的思路。作者们基于超分子作用力制备了一种以LiTFSI和N-甲基乙酰胺(NMAC)为主要成分的酰胺基深共熔溶剂(DES)作为锂离子电池的电解液,与商用碳酸酯类电解液相比具有不可燃性,可提高锂离子电池的使用安全性。文中以极易溶解的具有最简单结构的小分子羧酸——对苯二甲酸(TPA)作为负极,通过紫外等表征确定了DES电解液对TPA的溶解具有抑制作用。在后续的循环性能表征中,使用DES电解液的样本表现出了优越的长循环稳定性,在常温和高温下均有着优于碳酸酯电解液电池的循环性能。

图文导读

TOC. 可用于抑制TPA溶解的不可燃DES电解液实现锂离子电池稳定长循环性能。

图1. LiTFSI和N-甲基乙酰胺(NMAC)的DFT几何优化:a) LiTFSI, b) LiTFSI-1NMAC, c) LiTFSI-2NMAC, d) LiTFSI-3NMAC, e) LiTFSI-4NMAC。分子间作用力示意图:f) LiTFSI-1NMAC, g) LiTFSI-2NMAC, h) LiTFSI-3NMAC, i) LiTFSI-4NMAC。

图2. 光学照片(左)与UV光谱表征(右)观察TPA电极分别在a, c) LN4-5F 和b, d) 1 M LiPF6 EC/DEC电解液中浸泡24小时的溶解结果。

图3. 在不同的电流密度和温度下,TPA电极在LN4-5F和1M LiPF6 EC/DEC电解质中的循环性能:a)室温 1 A g-1,b)室温 2 A g-1,c)60℃ 2 A g-1。d)室温下Li||TPA电池的速率性能。

结论

我们合成了一种由LiTFSI和NMAC组成的不易燃DES电解液,缓解了TPA小分子有机酸电极材料在碳酸酯电解质中的溶解问题,显著提高了锂离子电池的稳定性。TPA||DES||Li电池表现出在相对较高的电流密度下优秀的充放电循环性能(1 A g-1电流密度下循环2000圈容量保持率84%)和高温循环稳定性,这可归功于有机小分子在DES电解质中的低溶解度和良好的电化学可逆性。该研究提供了将DES电解质和有机电极结合在一起的新设计原则,为稳定长循环电池的进一步应用提供了可能性。此外,它还为DES电解质和有机电极在各种金属电池中的应用开辟了新的思路。

论文信息:

Stable Long Cycling of Small Molecular Organic Acid Electrode Materials Enabled by Non-flammable Eutectic Electrolyte

Yihong Liang, Wanbao Wu, Jinwei Cao, Ruitian Guo, Miaomiao Cao, Jichuan Zhang, Mi Wang, Wen Yu, Jiaheng Zhang*

Small

DOI: 10.1002/smll.202104538

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202104538?af=R