不可燃局部高浓度电解质用于高性能锂金属电池

高浓度电解质（HCEs）可以有效地提高锂金属电池（LMBs）的界面稳定性和循环性能。然而，高浓度电解质存在低离子传导性、高粘度、高成本和高密度的问题。

【工作介绍】

本工作开发了由双氟磺酰亚胺锂（LiFSI）/磷酸三乙酯（TEP）/FB组成的氟苯（FB）稀释的局部高浓度电解质（LHCEs）。2.3M的LHCE可以保留浓缩的Li⁺ -FSI^– -TEP溶剂化结构。稀释剂FB具有低密度、低粘度、低成本、低介电常数、低LUMO和良好的氟捐赠特性，可以显著降低粘度，提高离子导电性，促进富含LiF的SEI的形成，增强电解质的Li⁺ -TEP和Li⁺ -FSI^– 离子对的相互作用。2.3M LHCE是一种高度安全的不可燃电解质。2.3M LHCE可以有效地抑制锂金属阳极上的枝晶生长。2.3 M LHCE赋予LiFePO₄ 电池良好的速率能力（在5 C速率下的放电容量为112.7 mAh g^–1 ）和出色的循环性能（1000次循环后容量保持率为95.4%）。2.3M LHCE还显示出与LiNi_0.8 Co_0.1 Mn_0.1 O₂ 的良好兼容性，并表现出出色的循环稳定性（500次循环后容量保持率为86.4%）。因此，2.3M LHCE是一种有希望在LMB中实际应用的电解质。

图1.不同电解质的溶剂化结构和特性：（a）传统液体电解质，（b）低浓度TEP电解质，（c）高浓度TEP电解质，和（d）局部高浓度TEP电解质。

图2.（a）3.4M HCE经FB稀释形成2.3M LHCE的示意图。(b) TEP、TTE、BTFE和FB的LUMO能量。(c) 1M LCE、3.4M HCE和2.3M LHCE的¹ H NMR光谱。(d) 不同成分和电解质的拉曼光谱。(e) 3.4 M HCE和(f) 2.3 M LHCE的AIMD模拟快照。(g) 3.4 M HCE和(h) 2.3 M LHCE的AIMD模拟计算出的Li-O_TEP , Li-O_FSI , 和Li-O_FB 的径向分布。

图3：（a）不同电解质在25°C时的粘度。(b) 25 °C时不同电解质的离子电导率。(c) 2.3M LHCE的LSV。(d)Li/2.3M LHCE/Li电池的CA和极化前后的EIS光谱（插图）。

图4.(a)2.3M LHCE和(b)1M LiPF6在EC/DEC（1:1体积）中的点火试验。

图5.（a）25℃下Li/2.3M LHCE/Li电池、Li/3.4M HCE/Li电池和Li/LE/Li电池的锂电镀/剥离曲线。(b)Li/2.3 M LHCE/Li电池、(c)Li/3.4 M HCE/Li电池和(d)Li/LE/Li电池循环后的锂的SEM图像。

图6.来自2.3M LHCE/Li电池和3.4M HCE/Li电池的金属锂阳极在50个循环后的XPS光谱。(a) F 1s光谱和(b) C 1s光谱。

图7.LFP/Li电池在30℃下的性能。(a) LFP/2.3 M LHCE/Li电池、LFP/3.4 M HCE/Li电池和LFP/LE/Li电池的速率能力；(b) 充/放电曲线。(c) LFP/2.3 M LHCE/Li电池、LFP/3.4 M HCE/Li电池和LFP/LE/Li电池在1 C速率下的循环稳定性和效率。

总之，开发了由LiFSI/TEP/FB组成的LHCEs。稀释剂FB可以有效地降低粘度（11.00 mPa s）并提高离子传导性（0.93 mS cm^–1 ）。2.3 M LHCE显示出良好的耐火性，不能被火焰点燃。加入FB可以保留浓缩的Li⁺ -FSI^– -TEP溶剂化结构，增强Li⁺ -TEP和Li⁺ -FSI^– 离子对的相互作用，将大离子团分散成小离子对。2.3M LHCE可以促进富含LiF的SEIs的形成，并有效地抑制锂金属阳极上枝晶状物的生长。使用2.3 M LHCE的LFP/Li电池表现出良好的速率能力（在5 C速率下放电容量为112.7 mAh g^–1 ）和出色的循环性能（1000次循环后容量保持率为95.4%）。2.3 M LHCE还显示出与NCM811阴极的良好兼容性，并表现出出色的循环稳定性（500次循环后容量保持率为86.4%）。

Nonflammable Localized High-Concentration Electrolytes with Long-Term Cycling Stability for High-Performance Li Metal Batteries
ACS Applied Materials & Interfaces ( IF 10.383 ) Pub Date : 2022-10-24 , DOI: 10.1021/acsami.2c13922
Zelin Xu, Kuirong Deng, Suping Zhou, Zheng Liu, Xiongcong Guan, Daize Mo

单位：五邑大学，通讯作者：莫代泽