我所调控溶剂化和固体电解质层稳定锂金属负极

  近日,我所先进二次电池研究组(DNL0306)陈剑研究员团队在金属锂电池电解质研究方面取得新进展,采用锂离子溶剂化调控和固体电解质层形成的双策略,实现金属锂负极的高库伦效率。

  金属锂因其最负的电化学势和高的理论比容量而成为研究的热点。但是,由于锂枝晶生长所造成的安全问题长久以来制约着可充电锂负极的应用。高浓盐电解液(HCEs)能够减缓锂沉积过程中因电极表面锂离子耗尽所引发的锂枝晶的尖端生长,稳定锂电极的循环性能。在HCEs中添加对锂盐溶解度低的稀释剂(氟化溶剂,如TTE),可以形成局部高浓度电解液(LHCEs)。LHCEs既保留了高浓度锂离子的电解质环境,又改善了电解液对隔膜和电极的浸润性,为发展锂金属二次电池提供了一种重要的选择。

  本工作中,团队利用极性不同的1,3-二氧戊环(DOL)和1,2-二甲氧基乙烷(DME)溶剂,研究了LHCEs中DOL和DME对锂离子配位的影响,以及对锂金属负极充放电反应机制的影响。研究发现,锂离子在DME和DOL两种溶剂中表现出明显不同的溶剂化行为。具有较强溶剂化能力的DME分子紧密结合在锂离子周围;而在溶剂化能力较弱的DOL中,阴离子则进入到锂离子的溶剂化鞘层中。两种溶剂化效应的差别在添加TTE的LHCEs后,表现地更加明显。在DOL中加入TTE可显著改变锂离子在混合溶剂中的配位结构。Raman光谱结果显示,在DOL-TTE(1:2)中,锂离子的溶剂化构型以离子聚集体(AGGs)为主(69.2%),同时游离溶剂的数量显著减少。而在DME-TTE(1:2)中,AGGs的比例仅为17.1%。DOL-TTE(1:2)中强化的离子聚集体(锂离子-阴离子配位结构)有利于在锂金属表面形成以阴离子衍生为主的固体电解质层(SEI),并促进均匀的锂沉积-剥离过程,实现高达99.4%的金属锂库伦效率。

  以上结果表明,与稀释剂相比,主溶剂优先参与锂离子的溶剂化,在调节锂离子的配位结构和构建良好的SEI界面中发挥关键作用。本工作揭示了溶剂化结构对于改善锂金属负极电化学性能的重要性,并提供了一种调控溶剂化能力来实现金属锂稳定循环的技术方案,为后续开发具有更高库伦效率的锂金属负极电解质提供参考。

  相关工作以“Dual Strategy with Li-ion Solvation and Solid Electrolyte Interphase for High Coulombic Efficiency of Lithium Metal Anode”为题,发表在《储能材料》(Energy Storage Materials)上。该工作的第一作者是我所DNL0306博士研究生朱圣东。该工作得到广东省重点领域研发计划、国防基础科研项目、大连市科技创新基金等项目的支持。(文/图 朱圣东)

  文章链接:https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.10.007

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