中科院过程所张兰与西安交大齐随涛《ACS AMI》：TMSPi与FEC协同作用调节高镍锂金属电池电极/电解质界面

点击蓝字关注我们

高镍正极如NCM811匹配锂金属负极可提高锂电池能量密度。然而，锂离子的不均匀沉积以及正极过渡金属离子溶解和迁移会导致电池循环性能恶化，这一现象在商业碳酸酯电解液中尤为严重。
中国科学院过程工程研究所张兰副研究员与西安交通大学齐随涛教授团队在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上合作发表了题为“Synergistic Effect of TMSPi and FEC in Regulating the Electrode/Electrolyte Interfaces in Nickel-Rich Lithium Metal Batteries”的文章（DOI: 10.1021/acsami.1c24971）。该文采用三(三甲基硅烷)亚磷酸酯(TMSPi)和氟代碳酸乙烯酯(FEC)作为常规碳酸酯基电解液添加剂来调节电极/电解质界面，提高NCM811||Li电池循环稳定性。该工作发现TMSPi可与Ni⁴⁺形成较强的配位，优先吸附在正极表面，具有清除HF，抑制过渡金属离子溶解，有效缓解正极材料不可逆相变的作用。然而，TMSPi对锂金属负极不友好，会导致电解液与锂负极之间的界面副反应和锂枝晶的快速生长。为缓解这一问题，在电解液中进一步引入FEC，可优先在锂负极表面形成富含LiF的SEI，从而改善TMSPi与锂负极之间的兼容性。同时，在正极侧，TMSPi可与FEC协同作用形成双层CEI，抑制电解液的进一步分解。这种简单的双添加剂设计，可有效提升正负极与电解液的界面稳定性，使NCM811||Li电池在3- 4.3 V电压区间1 C倍率下循环500次容量保持率达81.2%。该研究结果为添加剂间的协同作用提高NCM811||Li体系的循环性能提供了新的思路。

图1 (a) 电解液组分（EC、EMC、DEC、TMSPi和FEC）的HOMO和LUMO能级对比；(b) NCM811||Li电池在不同TMSPi含量电解液中的循环性能。 
图2 (a) 不同电解液中Li||Li对称电池的循环性能（电流密度：0.5 mA cm^-2，容量：0.5 mAh cm^-2）；Li||Li对称电池循环20次后锂负极SEM图(b) BE；(c) BE-FEC-TMSPi；Li||Li对称电池循环不同次数EIS图谱(d) BE；(e) BE-FEC-TMSPi。 
图3 不同电解液中NCM811||Li电池的循环性能(a) 1 C循环性能；(b) 倍率性能；(c)循环前及循环200次后NCM811正极XRD图谱。 
图4 不同电解液中NCM811||Li电池循环200次后正极TEM及HRTEM图。(a) BE；(b) BE-FEC；(c) BE-TMSPi；(d-f) BE-FEC-TMSPi。 
图5 (a) Ni⁴⁺与溶剂/添加剂之间的结合能；(b) NCM811||Li电池在BE-FEC-TMSPi中循环200次后正极刻蚀130 s的XPS图谱（P 2p和Si 2p）。

原文链接

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.1c24971

相关进展

化学与材料科学原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：[e-mail]

扫二维码｜关注我们

微信号 : Chem-MSE

诚邀投稿

欢迎专家学者提供化学化工、材料科学与工程产学研方面的稿件至[e-mail]，并请注明详细联系信息。化学与材料科学®会及时选用推送。