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Angew. Chem. :双亲性分子调控具有“核-壳”溶剂化结构的电解液2023-04-17
锂金属电池具有更高的能量密度,并拥有在低温下运行的巨大潜力。但金属锂存在热力学不稳定,与电解液界面兼容性不足等问题。特别是在超低温环境下,由于动力学缓慢,上述问题会进一步恶化。

近日,华南师大的郑奇峰/蔡跃鹏课题组,设计合成了一种新型的双亲性溶剂分子(1,1,2,2-四氟-3-甲氧基丙烷,TFMP),用作电解液溶剂时,亲锂链段易与锂离子配位,诱导电解质溶液的自组装,从而形成特殊的“核-壳”溶剂化结构。这种独特的溶剂化结构不仅提高了离子电导率以允许锂离子快速传输,并降低了去溶剂化能垒使得锂在沉积前更易脱去溶剂,而且在锂金属表面构筑了一层低阻抗、高稳定性的无机SEI膜使得锂离子可以快速穿过。

 

 

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使用具有这种特殊“核-壳”溶剂化结构电解液组装的Li||Cu电池,在1.0 mA cm-2的高电流密度下,从室温到−40 °C均实现了致密、平滑的锂沉积形貌以及高达98.5%以上的锂电镀/剥离效率。而常规电解液在−20 ℃下已经出现了明显的短路以及树枝状的锂枝晶生长,且沉积形貌非常不均匀;目前研究最为火热的局部高浓度电解液在−40℃也出现了锂的不均匀沉积且库伦效率较低。

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这种具有特殊“核-壳”溶剂化结构电解液的优势也在高镍三元全电池中得到了验证。使用这种“核-壳”溶剂化电解液的全电池在室温、−20 °C以及超低温(−40 °C)下,都表现出更好的倍率性能和循环稳定性。特别是在−40 °C超低温下,在0.5 C这样的较高充放电速率下,全电池仍然能够正常工作。

为了进一步证实这种电解液的优越性,作者组装了无锂金属负极的全电池。使用这种“核-壳”溶剂化电解液的无锂负极全电池表现出优异的循环性能,在100次循环后容量保持率为87%,并且在充电-放电曲线中没有观察到电压极化的明显增加,这是迄今为止报道的无锂负极全电池的最佳循环寿命之一。

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这项工作克服了长期存在的锂金属兼容性和沉积动力学方面的挑战,为调控电解液溶剂化结构提出了新的见解,为在极端条件下高能量密度锂电池电解液的设计提供了新思路。

文信息

An Amphiphilic Molecule-Regulated Core-Shell-Solvation Electrolyte for Li-Metal Batteries at Ultra-Low Temperature

Junkai Shi, Chao Xu, Jiawei Lai, Zhongliang Li, Yuping Zhang, Yan Liu, Kui Ding, Yue-Peng Cai, Rui Shang, Qifeng Zheng

论文的第一作者是华南师范大学化学学院硕士研究生石俊凯。

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202218151

 

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