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中科院在超低温锂金属电解液上取得新进展
2023-04-13 次浏览
【工作背景】
当前，锂金属电池(Li-metal batteries, LMBs)由于具备高理论能量密度(> 350 Wh kg-1)被誉为下一代二次电池的“圣杯”。尽管如此，我们不得不面对LMBs在实际工作环境中所面临的困境，特别是在恶劣的0 ℃以下条件。在超低温下运行的LMB将很容易由于一系列的负面影响而失效，如缓慢的电荷转移动力学，不均匀的锂沉积行为，以及常规电解质较差的流动性等。具体来说，为了提高锂金属电池体系的能量密度和抑制低温下的能量衰减，体相电解质扮演着相当关键的位置。
【工作内容】
近日中国科学院福建物质结构研究所的张易宁团队首次提出了一种以四氢呋喃作为主体溶剂的局部饱和电解液(Tb-LSCE)，该电解液很好解决了LMBs不稳定的锂-电极/电解质相界面(LEI)问题、锂沉积行为的均匀性问题以及在超低温下的放电阻碍问题（图1）。搭载Tb-LSCE的Li-Li对称电池在30 ℃和-30 ℃条件下能够分别稳定地沉积-溶解超过1600小时和1100小时，Li-Cu对称电池也达到了惊人的99.7%百圈平均库伦效率（30 ℃下）。
组装的Li-NCM523全电池展现了优异的低温性能（在-30 ℃下能够放出73.3%的室温容量）以及长周期循环可逆性（160次循环，80.7%容量保留），超高正极负载量19.7 mAh g-1下也能保证50圈内平稳运行(50个周期内仅牺牲1.7%的容量)。这项工作概述了一种低成本并且高效的电解液设计方案，实现了极端低温条件下激活实用的锂金属电池，为锂金属电池电解液工程贡献了宝贵设计思路和理论背景。
图1. THF基局部饱和电解液作用机制及反溶剂TTE的去溶剂化效应
这一相关工作近期发表于能源领域顶级杂志Energy Storage Materials (
DOI:10.1016/j.ensm.2023.03.026)上，文章的第一作者为硕士研究生林源盛，通讯作者为张易宁研究员。
【工作亮点】
一、首次提出一种以四氢呋喃为溶剂化溶剂的新型局部饱和电解液
二、详细地探究了氟化反溶剂在电解液体相溶剂化结构中所建立的内在机制
三、为锂金属电池在超低温下高效运行提供了有效的解决策略
四、搭载该电解液的Li-NCM523电池展现了优异的低温放电能力和长周期可逆性
此外，该团队先前也致力于磷酸铁锂(LFP)锂金属电池局部高浓度电解液的探索，所设计的电解液同时解决了LFP正极/电解液界面和Li负极/电解液界面的问题（“一石二鸟”），测试的Li-LFP全电池在高倍率充放电条件下能够稳定循环超过4000次，为LFP锂金属电池体系的稳定快充提供了可能。相关成果发表在Journal of Colloid and Interface Science (
DOI:10.1016/j.jcis.2022.08.018)上，第一作者为硕士研究生林源盛，通讯作者为张易宁研究员。
标题：Activating Ultra-low Temperature Li-metal Batteries by Tetrahydrofuran- based Localized Saturated Electrolyte
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2023.03.026