斯坦福大学鲍哲南教授、崔屹教授AM：双溶剂锂离子溶剂化可实现高性能锂金属电池

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文章信息

双溶剂锂离子溶剂化可实现高性能锂金属电池

First published: May 09, 2021

共同第一作者：王瀚森，俞之奡

通讯作者：鲍哲南*，崔屹*

单位：斯坦福大学

研究背景

锂（Li）金属具有低电极电势和高比容量，是高能电池系统的最终阳极选择。但是，实际的锂金属阳极的可循环性差。金属锂与电解质之间不可避免的反应会导致化学和机械上易碎的固态电解质界面膜（SEI）的形成。随着锂金属循环过程中体积的明显波动，SEI容易破裂，导致枝晶生长和加速的锂腐蚀，并引发安全隐患。

文章简介

基于此，斯坦福大学鲍哲南教授与崔屹教授等合作在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“Dual‐Solvent Li‐Ion Solvation Enables High‐Performance Li‐Metal Batteries”的研究工作。本文设计并合成了比FDMB具有更长的CF2-主链的氟代1,6-二甲氧基己烷（FDMH），这显示出进一步提高的稳定性，同时保持了溶解锂离子的能力。通过与共溶剂1,2-二甲氧基乙烷（DME）进行调配，得到了一种双溶剂共同溶剂化锂离子的电解液，实现了金属锂电池循环寿命和倍率性能的同时提高。

本文要点

要点一：本文结果证明了低比表面积的锂沉积形貌和电极表面FSI-阴离子分解衍生的高度无机（包含LiF，Li2S）的SEI是由特定的锂离子溶剂化环境实现的，在该环境中，稳定的FDMH分子和多个FSI-阴离子与锂离子配位。要点二：该策略将合理设计的高稳定性分子与低分子量高溶解度助溶剂结合在一起，可以在提高金属锂电池循环寿命的同时提高其倍率性能。要点三：同时，这项研究将指导电解质创新方面的进一步努力。

第一作者专访

1. 该研究的设计思路和灵感来源

目前对于提高金属锂电池电解液循环性能的机理认知在于促进其SEI的无机组分的形成，尤其是LiFSI这种锂盐的阴离子分解会产生大量的无机组分（LiF,Li2S等），促进低比表面的Li沉积形貌。若想促进FSI-阴离子分解生成SEI，关键在于降低溶剂分子与锂离子的溶剂化强度，这样锂离子的电荷不能被有效屏蔽，会在溶剂化层内部吸引更多的FSI-阴离子，在金属锂沉积时促进其分解。

弱化溶剂分子与锂离子结合的重要手段则是氟代，由于氟有很强的吸电子效应，会弱化氧原子孤对电子与锂离子配位的能力。基于之前报道的FDMB分子设计，我们进一步提出FDMH，加长了氟代碳链，可以进一步弱化其溶剂化能力并提高氧化稳定性。但是由于氟代比例上升，锂盐溶解度会受到影响。因此这里想用DME来做共溶剂，优化其比例，在保留电解液稳定性的同时提高导离子率。

2.该报道与其它类似报道最大的区别在哪里？

本工作的新意在于：

a. 分子设计：氟代是一把双刃剑。氟代可以弱化溶剂与锂离子结合的能力，并提高氧化稳定性，代价则是锂离子和阴离子更难解离，降低了导离子率。这一系列工作证明了通过设计分子结构，调控氟代的比例和位置，可以实现对溶剂溶剂化能力及稳定性的直接控制。

b. 双溶剂的方案：这里证明了优化高溶解度助溶剂的比例可以不影响电解液的稳定性，同时一定程度上缓解氟代电解液普遍阻抗较大，倍率性能较差的问题。

原文链接
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202008619

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