中南大學Energy Storage Materials；揭示串聯稀電解質對鋰金屬陽極的影響及相關機理

虛谷納物 4個月前 (03-01) 733瀏覽

一、【導讀】

自1991年初鋰離子電池成功商業化以來，已經滲透到當今現代生活的許多方面，包括便攜式電子設備、電動汽車和儲能電網。然而，由于儲能需求的不斷增長，廣泛應用的鋰離子電池面臨著能量密度低的瓶頸。石墨陽極的低理論比容量(372 mAh g-1)是造成這種困境的主要原因之一。電解質的一個新興發展方向是利用低濃度電解質(LCE，一般小于0.5 M)，因為它們具有更好的潤濕能力、低成本和快速電化學動力學等特性，這些特性已在多種電池場景中進行了研究。除了改變電解液溶劑的組合或探索功能性添加劑之外，對電解液濃度的調節似乎是備受關注的新趨勢。然而，目前還沒有對具有Li金屬陽極的LCE進行直接評估，對其進行研究將為高能量密度的可充電鋰金屬電池(LMBs)提供新的見解。

二、【成果掠影】

近日，中南大學吳飛翔課題組報告了Li||Li和Li||Cu電解槽串聯稀釋(0.1~1.0 M)醚基電解質中Li金屬陽極(LMA)的循環性能，發現其隨著濃度的增加，性能增強。此外，通過協調的循環后電極分析和理論模擬，詳細揭示了濃度效應及其潛在機制，證明了LEC中的優先溶劑分解誘導了LMA的有機主導界面層。該層界面穩定性較低，導致鋰半電池在不同電流密度之間的循環性能較差。另外，由于弱溶劑化性質導致的快速界面電荷轉移動力學，LEC同時面臨著一個很好的性能提升機會。本工作闡明了電解質濃度對LMA的影響，并揭示了串聯稀釋電解質的相關機理。這項及時的研究為設計新型低濃度電解質提供了一個全面的視角，具有一定的突破意義。相關成果以“Unveiling the effect and correlative mechanism of series-dilute electrolytes on lithium metal anodes”為題發表在國際權威期刊?Energy Storage Materials上。

三、 【核心創新點】

(1) 證明了LCEs中的溶劑優先分解導致鋰/鋰和鋰/銅電池在各種電流密度下的循環性能變差;

(2) 發現稀釋溶劑導致的快速界面電荷轉移動力學機制;

四、【數據概覽】

圖1 傳統電解液體系中鋰金屬陽極存在的主要問題 ? 2022 Elsevier

圖2 串聯稀電解質在Li||Li和Li||Cu電池中鋰金屬陽極的循環性能比較；Li||Li電池在不同摩爾濃度電解液循環性能(a) 0.5 mA cm?2-2 h, (b) 1 mA cm?2-1 h, and (c) 2 mA cm?2-1 h；Li||Cu在不同摩爾濃度電解液的循環性能；(d) 0.5 mA cm?2-2 h, (e) 1 mA cm?2-1 h, and (f) 2 mA cm?2-1 h. ? 2022 Elsevier

圖3 在0.2 mA cm?2低電流密度條件下，串聯稀釋電解質在Li||Li和Li||Cu電池中的循環性能；(a)對稱Li||Li電化學電池在0.2 mA cm?2下的鋰溶出/電鍍剖面;(b) Li||Cu電化學電池在第1個周期的恒流鋰剝離/電鍍概況;(c) Li||Cu電池在0.2 mA cm?2下與4種電解質的循環性能。? 2022 Elsevier

圖4 鋰金屬負極在不同電解液中循環后的形態表征；從頂視圖和橫切面看沉積的不同尺度的金屬鋰的SEM形貌演變，顯示了30次循環后沉積鋰的各種表面形貌和不同厚度的變化。? 2022 Elsevier

圖5 串聯稀釋電解質的理化性質和動力學比較研究；(a)離子電導率和(b)不同物質摩爾濃度電解質的密度;(c)串聯稀釋醚電解質的對稱Li||Li電化學電池的Tafel圖;(d) 1 mV s?1、-0.3 ~ 0.6 V鍍膜/溶出試驗的CV曲線;通過計算對稱Li||Li電化學電池在不同電解質中的溫度依賴性EIS； (e) Li+通過SEI輸移對應的電阻(RSEI)和(f)電荷轉移電阻(Rct)的Arrhenius圖。? 2022 Elsevier

圖6 Li+溶劑結構及其在一系列稀釋醚類電解液中的電化學穩定性：（a）稀釋電解液和（b）濃縮電解液分子和離子之間的相互作用圖；（c） LiTFSI-DOL:DME電解液在1 mV s-1掃速下的線性掃描伏安法電化學穩定性；（d）200?1800 cm?1和（f）720?760 cm?1中不同鹽濃度（摩爾濃度）電解液的拉曼光譜。? 2022 Elsevier

圖7不同濃度電解液溶液結構的DFT-MD模擬：（a）0.1 M；（b）1.0 M；（c）0.1 M和（d）1.0 M電解液中各種Li+陽離子溶劑化組分（SSIP、CIP和AGG）的相對比例。（i）稀釋電解液和常規電解液的徑向分布函數（g（r））和（j）配位數（n（r））。? 2022 Elsevier

圖8不同電解液中循環后的鋰負極上SEI層的原子比和界面成分。（a）XPS顯示了鋰片中Li、F、S、N、O和C元素濃度的比較；（b）在原始和刻蝕后的SEI層上檢測到的C（C 1s）+O（O 1s）原子比；（c）N（N 1s）+F（F 1s）+S（S 2p）的原子比。在不同電解液體系中處于沉積階段的循環鋰箔的XPS光譜；（d）C 1s、（e）O 1s、（f）Li 1s、（g）N 1s、（h）F 1s和（i）S 2p。? 2022 Elsevier

圖9不同電解液體系沉積后的鋰陽極XPS光譜；（a）C 1s、（b）O 1s、（C）Li 1s、（d）N 1s、（e）F 1s和（F）S 2p。? 2022 Elsevier

圖10 循環鋰金屬負極上的濃度效應示意圖 ? 2022 Elsevier

五、【成果啟示】

該工作全面研究了系列稀釋醚類電解液對鋰金屬負極性能以及濃度效應的相關機制。為電解液配方研發提供了新的理論支撐。

 

論文詳情：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2023.01.001.

本文由虛谷納物供稿

 

 

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