長春應化所&華中科大Adv. Mater.: 一種改善鋰空電池金屬鋰負極穩定性的新型鋰鹽：LiTNFSI

【引言】

鋰空氣電池，更準確地說，鋰氧電池，由于其高比能量密度而受廣泛關注。在過去一段時間中，研究人員把注意力主要放在正極，而較少關注鋰氧電池這一特殊環境下金屬鋰負極的穩定性。在鋰氧電池中，溶解于電解液中的氧氣分子可能從正極穿梭至負極，從而加劇金屬鋰負極的不穩定性。因此，如何提高金屬鋰負極在氧氣氛圍中的穩定性是鋰氧電池面臨的大挑戰，從廣泛的意義上來說，也是也是鋰金屬負極研究的新課題。這篇推送，將介紹一種通過鋰鹽的設計應對這一挑戰的新思路。

《先進材料》（Advanced Materials）最近刊登了來自中國科學院長春應用化學研究所彭章泉課題組和華中科技大學周志彬課題組的合作研究，題為“The Salt Matters: Enhanced Reversibility of Li–O₂ Batteries with a Li[(CF₃SO₂)(n-C₄F₉SO₂)N]-Based Electrolyte”。該論文采用一種新型磺酰亞胺鋰鹽{Li[(CF₃SO₂)(n-C₄F₉SO₂)N], LiTNFSI}，并以四乙二醇二甲醚（TEGDME）為溶劑制備成電解液。通過一系列先進表征手段，該論文發現這種新電解液引導在金屬鋰負極表面原位生成了一層致密、多氟、疏氧的固態電解質界面（SEI）膜，明顯增強了鋰金屬在氧氣氛圍中的穩定性。與商業化的鋰鹽{Li[(CF₃SO₂)₂], LiTFSI}對比，應用這種新型鋰鹽能夠使鋰氧電池壽命提高一倍。

彭章泉研究員和周志彬教授為論文的共同通訊作者。華中科技大學2015級博士生仝博為論文第一作者。中南大學黃俊副教授為論文第二作者。

【圖文導讀】

圖1 導電鋰鹽結構

?

圖2 O₂氛圍下鋰金屬負極穩定性

a）Li|1.0 M LiTNFSI TEGDME|Li_0.5FePO₄

b）Li|1.0 M LiTFSI TEGDME|Li_0.5FePO₄

氧氣氛圍下，鋰金屬在1.0 M LiTNFSI TEGDME中可以保持良好的穩定性。

圖3 在Ar (或O₂)條件下Li|Li電池循環性能

a）1.0 M LiTFSI TEGDME Ar

b）1.0 M LiTFSI TEGDME O₂

c）1.0 M LiTNFSI TEGDME Ar

d）1.0 M LiTNFSI TEGDME O₂

?Li|Li 電池循環表明無論在氧氣還是氬氣條件，鋰金屬在1.0 M LiTNFSI TEGDME中均能保持良好的循環穩定性。

圖4 O₂ 氛圍下，Li|Li電池循環100周后鋰金屬形貌

a, b, c) 新鮮鋰金屬

d, e, f) 1.0 M LiTNFSI TEGDME

g, h, i) 1.0 M LiTFSI TEGDME

在1.0 M LiTNFSI TEGDME體系中，金屬鋰表面保持良好的平整性，副反應得到有效抑制。

圖5?Li-O₂ 電池循環曲線及DEMS測試結果

a,b,c) 1.0 M LiTNFSI TEGDME

d,e,f) 1.0 M LiTFSI TEGDME

基于1.0 M LiTNFSI TEGDME電解液的鋰氧電池循環性能及可逆性得到明顯提高。

【小結】

該工作通過調節鋰鹽結構（LiTNFSI vs LiTFSI），進而改善金屬鋰界面組成、提高其在O₂條件下的穩定性。研究發現LiTNFSI在金屬鋰表面優先還原，生成了一層致密、多氟的SEI膜，該SEI膜明顯提高了O₂氛圍下金屬鋰界面穩定性， 增強了Li-O₂ 電池循環性能。該研究工作為提高金屬鋰界面穩定性提供了新的解決方案。

原文鏈接：The Salt Matters: Enhanced Reversibility of Li–O₂ Batteries with a Li[(CF₃SO₂)(n-C₄F₉SO₂)N]-Based Electrolyte（Adv. Mater. 2017,DOI: 10.1002/adma.201704841）

本文由仝博提供。

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