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      English  |  上海硅酸鹽所  |  中國科學院  
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    上海硅酸鹽所在鋰金屬電池雙功能電解液設計中取得重要進展
    發布時間:2021-12-13

      與傳統的石墨負極相比,鋰金屬負極具有高的理論比容量(3860 mAh/g)和極低的電化學電位,有望助力實現鋰金屬電池500 Wh/kg的能量密度目標。然而,不可逆的電極-電解質界面副反應、不可控的枝狀鋰生長、“死鋰”積累以及過大的極化電位會導致電池安全和失效問題。匹配高鎳三元正極有利于高能量密度的實現,然而正極界面的不穩定易造成過渡金屬溶解,導致活性物質損失和容量衰減。合理的電解液配方可以衍生出穩定的正負極/電解質界面,驅動高比能鋰金屬電池的長效運行。  

      針對負極鋰枝晶生長及高鎳三元正極界面不穩定的問題,中國科學院上海硅酸鹽研究所李馳麟研究員團隊提出了一種協同作用的離子“殼-核”型復合物作為醚類和酯類電解液添加劑,通過高LUMO能級的有機陽離子基團(“殼”)對溶劑化鋰離子的排斥作用和具有豐富氧端基及非局域電荷分布的Keggin型多金屬氧酸鹽POM(“核”)對鋰離子的富集作用, 實現了對鋰離子流的定向引導及鋰金屬的受控核化生長。利用有機陽離子基團的高HOMO能級及強吸附特性可以通過預先氧化成膜進一步穩定電解液/LiNi0.8Co0.15Al0.05O2正極的界面,相關成果以“Lithium Ion Repulsion-Enrichment Synergism Induced by Core–Shell Ionic Complexes to Enable High-Loading Lithium Metal Batteries”為題發表于Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 23256- 23266。 

      在鋰離子電鍍過程中,表面帶正電荷的添加劑容易吸附在突起的電子集中分布的尖端上,靠近這些區域的鋰離子受到一定程度的排斥,從而使鋰離子在負極上的流動分布趨于均勻化。逐漸釋放的具有非定域負電荷和豐富O官能團的無機POM核將收集從尖端排斥至周圍的鋰離子或在電解液中溶劑化的鋰離子。在重復充放電過程中的電場力作用下,POM聚陰離子和反電荷離子之間的動態可逆和非錨定的靜電相互作用使POM的釋放具有可持續性。在捕獲電子后,這些POM核將和被吸收的鋰離子共組裝,類似特殊的成核調節器,因此,Li離子流和Li金屬沉積被進一步引導和均化。這一斥鋰-富集協同機制促進了LiFLiNxOy組分在負極界面層(SEI)的富集,有利于對鋰枝晶的抑制作用。 

      這類離子復合物改性的電解液可以使對稱鋰金屬電池在35 mA/cm2的高電流密度下分別具有超過500300個周期的長循環壽命。差分電容測試表明,控制SEI形成的雙電層中吸收的離子發生了重排。在電解液中只添加POM鹽后,鋰沉積物即可組裝成凹形的土坯堆積;進一步的復合添加劑改性可促進表面光滑、排列緊密的球形鋰鍍層的形成。DFT計算驗證了負極側斥鋰-富集協同機制的合理性以及正極側改性固態電解質界面(CEI)的預先形成。雙向功能化的電解液實現了對高電位LiNi0.8Co0.15Al0.05O2正極的兼容,使其在20 mg/cm2的高載量下仍可長效循環上百次。 

      上述工作第一作者為上海硅酸鹽所在讀博士生孟俊威,該研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、上海市科委等項目的資助和支持。 

      相關鏈接: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202108143

    離子“殼-核”型復合物添加劑對高鎳三元鋰金屬電池正負極的改性作用

    斥鋰-富集協同作用機制對鋰金屬枝晶的抑制作用

    離子“殼-核”型復合物添加劑對鋰金屬電池電化學性能的改進

     

    協同作用調控的鋰沉積形貌改進和DFT計算驗證

     
     
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