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清华大学刘凯教授团队Nature Energy：高供体数锂盐调控SEI实现高性能锂金属电池！

时间：2023-06-23 来源：浏览：

清华大学刘凯教授团队Nature Energy：高供体数锂盐调控SEI实现高性能锂金属电池！

原创 Energist 能源学人

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收录于合集

第一作者：Yingchun Xia

通讯作者：刘凯

通讯单位：清华大学

【研究亮点】

传统碳酸盐基电解质对锂金属具有高腐蚀性，会导致大量枝晶生长和有限的循环寿命，对于具有高正极负载（>3.5 mAh cm ⁻² ）的锂金属电池尤其如此。本文设计了一种不对称锂盐，即1,1,1-三氟-N-[2-[2-(2-甲氧基乙氧基)乙氧基)]乙基]甲磺酰胺锂(LiFEA)，它具有伪冠醚状、折叠的分子几何结构。它使碳酸盐电解质具有较大的供体数和Li ⁺ 转移数，并驱动固态电解质界面的自清洁机制，即使在高电流密度下也能增强与锂金属负极的兼容性。基于LiFEA的碳酸盐电解质显著提高了Li ||NCM811电池的快速循环性能。310 Wh kg ⁻¹ 的软包电池在6.59 mA cm ⁻² 的放电电流密度下达到~410 W kg ⁻¹ 的功率密度。在快速循环条件下软包电池在100次循环后仍保持81%的容量。

【主要内容】

随着当前石墨锂离子电池正在接近其理论能量密度极限，锂金属电池（LMB）由于人们对高能量密度电池的迫切需求而引起了越来越多的关注。然而，LMB的发展一直受到有限的循环寿命和安全问题的困扰，这些问题是由于锂金属和电解质之间的副反应以及不稳定或亚稳态固态电解质界面(SEI)的形成而引起的。源自碳酸盐电解质的低质量SEI加速了锂枝晶的生长、SEI破裂和电解质的连续分解，并且表现出较差的电化学性能。锂金属腐蚀与电解质配方直接相关，因为负极上的SEI保护层是由锂金属/电解质的初始化学反应和电解质的重复电化学还原产生的。因此，迫切需要开发新的策略以构建坚固、无机物更丰富且均匀的SEI，以应对实际电池运行条件下的长循环。

鉴于此，清华大学刘凯教授团队报告了一种类伪冠醚功能性锂盐LiFEA，用于实际LMB的快速充电/放电。与传统的锂盐不同，LiFEA具有带正电的醚部分和带负电的CF ₃ SO ₂ N ^- 结构，类似于两性离子。 LiFEA在碳酸酯溶剂中具有大偶极矩、高供体数和高Li ⁺ 转移数。此外，它还具有自清洁机制：清除SEI中一些不需要的有机物质，并逐渐富集无机物质。这种自清洁机制有利于生成致密且均匀的富含无机物的SEI。凭借这些突出的优点，基于LiFEA的碳酸盐电解质为高压LMB显著改善了高倍率性能和长循环性能。实际Li ||NCM811金属软包电池同时实现了高能量密度和功率密度，使电池级能量密度达到~310 Wh kg ⁻¹ 和功率密度~410 W kg ⁻¹ 。在快速循环条件下（充电：1.46 mA cm ⁻² ，放电：3.66 mA cm ⁻² ），软包电池在100次循环后保留了81%的容量。本文工作表明，通过将锂盐的分子内超结构与其物理化学性质（例如分子偶极供体数和Li ⁺ 转移数）相关联，可以使用传统碳酸盐电解质形成高质量且稳定的SEI，从而制造高性能锂金属电池。

Fig. 1 | Design principle of LiFEA.

Fig. 2 | Experimental and theoretical study on pseudo-crown ether-like folded structure of LiFEA.

Fig. 3 | Physicochemical properties of LiFEA and LiFEA-based electrolytes.

Fig. 4 | Electrochemical performance of Li | |NCM811 batteries.

Fig. 5 | Performance of Li | |NCM811 pouch cells under stringent conditions.

Fig. 6 | Dendrite-free Li-deposited morphologies and plating/stripping reversibility under high current densities.

Fig. 7 | LiFEA self-cleaning concept and results of EC-QCM experiments for SEIs.

Fig. 8 | Components of SEIs with different soaking electrolytes and cycling electrolytes.

【文献信息】

Xia, Y., Zhou, P., Kong, X. et al. Designing an asymmetric ether-like lithium salt to enable fast-cycling high-energy lithium metal batteries. Nat Energy (2023). https://doi.org/10.1038/s41560-023-01282-z

Kim, HT. Leaching organics from the interphase. Nat Energy (2023). https://doi.org/10.1038/s41560-023-01281-0