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Angew 高温电解液：拓烷基链长，稳电池界面

时间：2023-05-18 来源：浏览：

Angew 高温电解液：拓烷基链长，稳电池界面

Energist 能源学人

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【研究背景】

近年来，锂金属电池因其高能量密度受到广泛关注。匹配高镍三元正极（比如NCM811）的锂金属电池的能量密度有望达到500 Wh Kg ⁻¹ ，可有效缓解电动汽车的“里程焦虑”。然而，在传统电解液中，锂金属负极和NCM811正极的界面尚不稳定，这阻碍了NCM811-Li电池的实用化。更具挑战性的是，电池工作时会持续放热，促进了Li金属负极和NCM811正极与电解液的副反应，从而进一步破坏了界面稳定性，加速了电解液和电极活性物质的消耗，损耗了电池循环寿命。因此，提升NCM811-Li电池在高温下的界面稳定性具有重要的现实意义。

尽管已报道的各种针对电极材料的界面工程可以改善上述挑战，但更为根本的策略是提升电解液与电极材料（Li负极和NCM811正极）的热力学稳定性。醚类电解液比酯类电解液还原稳定性更佳，但是其易燃和氧化电位低的缺点使其难以应用在NCM811-Li电池体系。醚基高浓、氟化电解液可以有效提高电解液电压窗口、生成功能化的Li负极固态电解质界面层 (SEI) 和正极电解质界面层 (CEI)。但是这类电解液成本较高，并且会牺牲一部分物理性能（粘度和离子电导率）。此外，通过筛选无氟醚类溶剂和合理设计其分子结构，可以降低其与Li ⁺ 的溶剂化能力，从而达到构建富阴离子溶剂化团簇和促进形成无机SEI和CEI成分的目的。但以上各种电解液在NCM811-Li电池中的高温性能依旧不理想（或未被研究）。

有鉴于此，香港理工大学应用物理系张标和朱叶团合作，提出了一种简单而有效的策略以稳定高温条件下NCM811-Li电池在醚类电解液的界面稳定性、提升电池的循环寿命。该成果以 “Stabilizing Interfaces in High-Temperature NCM811-Li Batteries via Tuning Terminal Alkyl Chains of Ether Solvents” 为题，发表在国际著名期刊 Angew. Chem. 。论文共同第一作者为博士后王志杰和博士生陈昌盛。

【核心要点】

基于乙二醇二甲醚 (EGDME, 亦简写为DME)，乙二醇二乙醚 (EGDEE) 二醇二丁醚 (EGDBE)，作者开发了一系列电解液，依此命名为EGDME-E，EGDEE-E, EGDBE-E。这三种醚的区别是末端烷基依此延长，分别为甲基、乙基、正丁基。利用这种设计，作者证明了：

(1) 三种醚基电解液的综合稳定性依此提升（TGA, DFT计算等），可以有效降低其与Li负极和NCM811正极的副反应（XPS, TOF-SIMS, STEM）。

(2) 三种电解液中，阴离子参与溶剂化结构的程度依此增强（Raman, NMR）。

(3) 得益于以上两点，形成的SEI和CEI更薄、更致密，无机组分的比例也依此提升（XPS, TOF-SIMS, STEM）。

(4) 高温性能得到了明显提升。具体而言，60 ℃条件下Li-Cu电池的平均库伦效率提升到99.41% (1 mAh cm ⁻² , 1 mAh cm ⁻² ), 优于现有已报道的数据。准实用化条件的NCM811-Li电池寿命也增长了4倍，库伦效率为99.77%，是目前报道的最佳水平之一。

【图文详情】

图1. 电解液设计思路和稳定电池界面的原理

图2. Li金属负极可逆性测试

图3. 锂金属负极界面性质表征

图4. NCM811-Li电池的性能测试

图5. NCM811正极表面成分和结构分析

图6. NCM811正极界面性质表征

Zhijie Wang, Changsheng Chen, Danni Wang, Ye Zhu, Biao Zhang. Stabilizing Interfaces in High-Temperature NCM811-Li Batteries via Tuning Terminal Alkyl Chains of Ether Solvents. Angew. Chem. Int. Ed. , 2023, DOI:10.1002/anie.202303950

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