中科院物理所Energy Storage Materials:有利于高溫下穩定運行的鋰金屬電池液態電解質

【引言】

可充電鋰金屬電池由于高理論能量密度而引起廣泛關注。對于實際應用，由于復雜的應用環境，在安全性和循環壽命方面，鋰電池能在高溫下穩定運行是負極為金屬鋰或包含金屬鋰的電池必須要解決的問題。在實際應用中，LIB的熱失控往往是由電池的高溫運行引起。通常，商用LIB的運行溫度在-20~55℃的范圍內。高于55^oC，一些副反應的發生使得LIB的熱失控風險增加。例如，LiPF₆在55℃以上開始分解產成HF，與正負極表面反應，逐漸引起熱失控。一般鋰離子電池中的固體電解質界面（SEI）的部分成分在65℃以上逐漸開始分解。此外，碳酸二甲酯（DMC），碳酸二乙酯（DEC）或碳酸甲乙酯（EMC）等碳酸酯溶劑的使用也會由于其揮發性和高度易燃性而將電池的運行溫度限制在低于60℃之內。如果Li金屬電池能夠在55℃以上穩定運行，它將有效地降低熱失控風險并簡化電池的熱管理。

【研究進展簡介】

近日，中科院物理所耿振博士（第一作者）、李泓研究員等（通訊作者）報道了一種通過將兩種熱穩定性好的Li鹽（即LiTFSI 和LiDFOB）一起加入到具有高沸點/閃點EC和PC的碳酸鹽溶劑的新電解液體系，還進一步添加少量LiPF₆以防止鋁(Al)集流體的腐蝕。結果表明，新型電解液展示了較為穩定的高溫循環性能，這種電解液循環過程中也有效抑制了鋰枝晶的形成。基于這種電解質的Li金屬電池（Li/LiCoO₂）在80℃的高溫下測試 循環100次容量保持率達到90%。此方法為發展高能量密度的混合固液電解質或基于原位固態化的全固態金屬鋰電池提供了一種電解質的設計思路。如果未來的電池能同時在低溫和高溫正常工作，可以有效降低電池熱失控風險，有利于去掉目前在動力電池中占有較高質量和體積的液態冷卻系統。相關研究成果“Lithium Metal Batteries Capable of Stable Operation at Elevated Temperature”為題發表在Energy Storage Materials上。

【圖文導讀】

圖一電解液的穩定性能

（a）使用不同電解質的掃描速率為0.1mV/s的Li/Al電池的LSV曲線

（b）具有2 Ah容量（充電-放電過程前）的Li/LiCoO₂軟包電池的ARC測試的溫度-時間曲線，加熱溫度步長為10℃，然后等待30分鐘。

圖二電化學性表征

（a，b）在（a）25℃和（b）80℃下使用1M LiPF₆電解液的Li/LiCoO₂電池充放電曲線

（c，d）在（c）25℃和（d）80℃下使用0.8M LiTFSI-0.2M LiDFOB-0.01M LiPF₆電解液的Li/LiCoO₂電池充放電曲線

（e）使用不同電解液在80℃下循環Li/LiCoO₂電池的性能

（f）具有2 Ah容量（70％充電狀態）的Li/LiCoO₂軟包電池的ARC測試的溫度 -時間曲線，加熱溫度步長為10℃，然后等待30分鐘。

圖三鋰金屬在不同電解液中循環后的形貌表征

（a-d）鋰金屬在使用1M LiPF₆電解液的Li陽極的表面SEM圖像和截面圖

（e-h）鋰金屬在使用0.8M LiTFSI-0.2M LiDFOB-0.01M LiPF₆電解液的Li陽極的表面SEM圖像和截面圖

圖四半電池性能表征

（a-b）鋰對稱電池的循環性能

（c-e）鋰負極的3DAFM圖像

圖五在不同電解液中鋰金屬表面的SEI的成分表征

（a，b）使用1M LiPF₆電解液，在25℃下100次循環后的Li陽極的C 1s和（b）O 1s XPS圖像

（c，d）使用0.8M LiTFSI-0.2M LiDFOB-0.01M LiPF₆電解質，在25℃下100次循環后，Li陽極的C 1s和（d）O 1s XPS圖像

（c，d）在Li負極上的SEI的成分變化

【小結】

總之，通過利用熱穩定的Li鹽（即LiTFSI，LiDFOB）和具有高沸點/閃點的有機碳酸酯溶劑（即EC，PC）設計了一種新型耐高溫電解液。還添加少量LiPF₆用來防止Al集流體的腐蝕。結果表明，這種電解液具有良好的高溫性能，同時還能有效抑制Li枝晶的形成。基于0.8M LiTFSI-0.2M LiDFOB-0.01M LiPF₆電解液的Li/LiCoO₂電池在高達80℃的高溫下顯示出優異的循環性能。在1.2 mA/cm²的電流密度下和100次循環后，它具有90％的高容量保持率。其克服了傳統鋰離子電池的工作溫度上限（即55-60℃），這有可能降低熱失控風險并簡化Li金屬電池的熱管理。為可充電鋰金屬電池的混合固液電解質體系的設計提供了一種技術選擇。

文獻鏈接：“Lithium metal batteries capable of stable operation at elevated temperature”

本文由材料人編輯部學術組微觀世界編譯供，論文通訊作者李弘研究員修正供稿。

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