Angew. Chem. :含氟溶剂化鞘层和低浓度效应协同构建高电压锂金属电池

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随着便携式电子设备与电动汽车的迅速发展,市场对电化学储能系统能量密度的需求日益增加。与传统锂离子电池相比,锂金属电池具有比容量高的突出优点。然而,锂金属电池在电化学反应过程中存在严重副反应,电压高于4 V条件下,反应更为剧烈,这限制了锂金属电池工作电压与能量密度的提升。因此,构筑稳定的电化学反应界面,抑制高电压条件下电解液的分解至关重要。


调控电解液浓度是提升电池电化学性能最有效的策略之一。高浓度电解液具有拓宽电化学稳定窗口,抑制锂枝晶生长的作用,得到了广泛的关注与深入的研究。然而,高浓度电解液不仅存在成本高、浸润性差等缺点,其性质还与盐种类具有密切关系,如高含量LiPF6会产生严重副反应,导致电化学界面恶化。近日,中南大学吴飞翔教授团队将0.2 M LiPF6 溶于FEC/EMC(0.2 M FE)设计了一种低浓度电解液用于高电压锂金属电池。该电解液能构筑稳定的电化学界面,并降低LiPF6分解为HF等副产物的风险,明显提升了Li||Li电池和LiCoO2||Li电池的循环稳定性。



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实验结果表明,该低浓度电解液实现了LiCoO2||Li电池在高电压、高温、高载量、高倍率等苛刻条件下的稳定循环,循环后金属锂负极的扫描电镜结果表明该电解液能有效抑制锂枝晶的生长。

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循环后的锂负极XPS结果表明,该低浓度电解液的固体电解质界面膜(SEI)具有富LiF和贫POxFy相。LiF主要是FEC在金属锂负极表面的还原产物,POxFy成分来自于LiPF6的分解,该分解反应还会伴随着HF产生,贫POxFy相表明低盐浓度减少了有害副产物的累积,降低了电化学界面恶化的风险。

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理论计算的结果表明,该低浓度电解液的溶剂化鞘层中含FEC分子,其典型溶剂化结构为Li(EMC)3(FEC)1+,并具有高占比的溶剂分离离子对(SSIP),SSIP脱溶剂化势垒低,因此,该电解液存在弱溶剂化效应,这有利于提升电化学反应的动力学。

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含氟溶剂化结构与低盐浓度效应的协同作用,使该低浓度电解液不仅展现出良好的界面浸润性,优异的电化学反应动力学,宽阔的工作温度范围,而且降低了电解液中LiPF6的分解,减少了HF、POxFy等有害副产物的生成,构筑了稳定的、富氟的和低腐蚀的电化学反应界面。该工作为高电压锂金属电池电解液的设计提供了一种新的解决方案。

文信息

A Low-Concentration Electrolyte for High-Voltage Lithium-Metal Batteries: Fluorinated Solvation Shell and Low Salt Concentration Effect

Rongyu Deng, Fulu Chu, Felix Kwofie, Zengqiang Guan, Jieshuangyang Chen, Feixiang Wu*


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202215866




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