黄佳琦：锂金属电池循环稳定性与安全性兼容的前提

  北京理工大学 黄佳琦   2022-05-11 次浏览

第一作者：Zhang Qian-Kui

通讯作者：黄佳琦

单位：北京理工大学

背景

锂金属电池的循环稳定性正在稳步提高。对于实际的金属锂电池来说，安全问题非常重要，这主要是由使用易燃溶剂造成的。不易燃溶剂可以减轻火灾危险；为了提高有机溶剂的不燃性，氟化溶剂、磷酸酯溶剂、腈类溶剂等引起了广泛关注。然而，不燃性溶剂由于反应性强，与金属锂阳极的稳定性普遍较差。不燃性溶剂形成的固体电解质界面（SEI）不能钝化金属锂阳极，导致不燃性溶剂与金属锂阳极之间不断发生副反应，最终恶化了金属锂电池的循环稳定性。因此，抑制不燃性溶剂与金属锂阳极的副反应是实现电池循环稳定性与安全性兼容的前提。

工作介绍

本工作提出在基于二甲基乙酰胺（DMAC）的电解质中调节溶剂化结构，以同时实现电解质的循环稳定性和不可燃性。DMAC是一种不易燃的溶剂，被用来构建不易燃的局部高浓度电解质（LHCE）。在基于DMAC的LHCE中，有丰富的聚集体导致阴离子衍生的SEI的形成，以规避DMAC溶剂和金属锂之间的寄生反应，并提高锂沉积的均匀性，从而确保实际条件下的循环稳定性和电解质的不可燃性之间的兼容性。这项工作开辟了一条新兴的途径，通过操纵不易燃电解质中的溶化结构来构建长循环和安全的金属锂电池，实现了锂金属电池的循环稳定性和电解液的不燃性之间的良好兼容。

图1. a) 单一溶剂的可燃性测试。b) DMC和DMAC捕获H-和HO-后的结合能和优化结构。e) 1.0LiFSI-3.9DMAC、1.0LiFSI-1.3DMAC和LHCE-DMAC的拉曼光谱。f) 各种电解质中不同结构的FSI-的比例，由（e）中拉曼光谱的相应峰面积比例决定。

图2. a) EC/DMC、LHCE-DMC和LHCE-DMAC的阻燃测试。b) DMC、DMAC、LiFSI、LHCE-DMC和LHCE-DMAC的DSC痕迹。c) 不同温度下LHCE-DMC和LHCE-DMAC的软包电池的红外图像，d) 穿钉测试时相应的温度-时间曲线。

图3. a) 电流密度为0.2 mA cm-2和容量为1.0 mAh cm-2时，Li | Cu电池的平均库仑效率。b) 不同电解质的Li | NCM523电池在0.2C下经过两次形成循环后的循环性能。Li | NCM523电池在LHCE-DMC和LHCE-DMAC中经过c) 80和d) 150次循环后的相应电压曲线。

图4. 锂的沉积形态、阻抗大小。

图5. 不同溅射时间后LHCE-DMAC和LHCE-DMC中Li金属阳极上的XPS光谱。e) 通过Arrhenius方程拟合在不同温度（-10至40℃）下获得的RSEI，离子扩散通过SEI的激活能。f) 从CV测量获得的Tafel图和相应的交换电流密度。g) LHCE-DMAC中溶剂化结构的示意图及其对SEI形成过程的影响。

总结

在基于DMAC的电解质中调节溶剂化结构可以实现金属锂电池的循环稳定性和电解质的不可燃性之间的兼容性。DMAC溶剂是不可燃的，基于DMAC的LHCE也保持了不可燃性和热稳定性。在LHCE-DMAC中，丰富的AGG团簇产生并导致阴离子衍生和富含LiF的SEI的形成，以规避DMAC溶剂和锂金属阳极之间的反应，并提高锂沉积的均匀性。因此，在LHCEDMAC中实现了高CE（>99.2%）的Li剥离/电镀，确保了Li|NCM523电池在实际条件下的循环稳定性和电解液的不可燃性之间的兼容性。这项工作开辟了一条途径，通过操纵不易燃电解质中的溶剂化结构，促进长循环和高安全性的实用锂金属电池的发展。

Regulating Solvation Structure in Nonflammable Amide-Based Electrolytes for Long-Cycling and Safe Lithium Metal BatteriesAdvanced Energy Materials ( IF 29.368 ) Pub Date : 2022-05-06 , DOI: 10.1002/aenm.202200139Qian-Kui Zhang, Xue-Qiang Zhang, Li-Peng Hou, Shu-Yu Sun, Ying-Xin Zhan, Jia-Lin Liang, Fang-Shu Zhang, Xu-Ning Feng, Bo-Quan Li, Jia-Qi Huang