浙江大學(xué)范修林教授等：陰離子-稀釋劑協(xié)同作用實現(xiàn)高比能鋰金屬電池

可充電鋰金屬電池作為新一代儲能體系，具有高的能量密度，因此受到了廣泛的關(guān)注。然而，有限的庫侖效率和無序的枝晶生長限制了其應(yīng)用。近日, 浙江大學(xué)的范修林教授和以色列巴伊蘭大學(xué)的Malachi Noked等人通過將氟化芳香稀釋劑引入到高濃度電解質(zhì)(HCEs)中，合成了一種新型電解質(zhì)。與其他局部HCEs不同，氟化芳香稀釋劑與陰離子配對，促進了均勻的固體電解質(zhì)間相(SEI)形成，使得鋰金屬具有極高的庫侖效率，約為99.8%。

圖 1、電解質(zhì)溶劑化結(jié)構(gòu)及設(shè)計原則:(a)LHCE-TFM電解質(zhì)分子動力學(xué)模擬快照;(b)通過MD模擬計算LHCE-TFMB電解質(zhì)的自由基分布函數(shù);(c)TFMB和BZTF的靜電勢圖;(d)各種溶劑、稀釋劑和電解質(zhì)的拉曼光譜;(e, f)LHCE-TFMB和(f)LHCE-BZTF的量子力學(xué)DFT-AIMD模擬的態(tài)密度(DOS);(g)TTE稀釋和TFMB/BZTF稀釋的HCEs中，電解質(zhì)結(jié)構(gòu)及形成SEI的示意圖。

【本文要點】

要點1. 該研究工作提出了兩種高效的LHCEs，由雙氟磺酰亞胺鋰(LiFSI)、1,2-二甲氧基乙烷(DME)、三氟甲氧基苯(TFMB)或三氟苯(BZTF)的混合物組成，摩爾比為1/1.1/2.2(LiFSI/DME/稀釋劑)。

要點2.密度泛函理論(DFT)計算表明，TFMB和BZTF稀釋劑的最低未占分子軌道(LUMO)介于1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚(TTE)和1,2-二氟苯(DFB)之間，當(dāng)它們在溶解過程中與陰離子配對時，有利于實現(xiàn)溫和且可控的分解，從而在鋰金屬表面形成緊湊和富含無機物的SEI，提高了CE(>99.7%)，延長了循環(huán)壽命。

要點3.使用LiFSI/DME/TFMB電解質(zhì)的Li(20 μm)||NMC811(正極載量，3.5 mAh cm-2)全電池初始容量為210 mAh g-1，循環(huán)260次后容量保持率>80%。組裝的Li||NMC811軟包電池(正極載量，3.5 mAh cm-2)，能量密度約為340 Wh kg-1，200次循環(huán)后仍能保持80%的容量。

總之，這項工作強調(diào)了陰離子和稀釋劑在鋰金屬副極上的協(xié)同作用，為高比能LMBs的商業(yè)化設(shè)計提供了依據(jù)。

圖 2、Li||NMC811軟包電池的電化學(xué)行為:(a)不同電解質(zhì)組裝的Li||NMC811軟包電池在C/5充電速率和C/2放電速率下的循環(huán)性能;(b, c)使用(b)RCE和(c)LHCE-TFMB的Li||NMC811軟包電池對應(yīng)的恒流充放電曲線。

Chunnan Zhu, et al. Anion–Diluent Pairing for Stable High-Energy Li Metal Batteries. ACS Energy Lett., 2022, https://doi.org/10.1021/acsenergylett.2c00232