鋰離子電池的電解質設計，最新Nature sustainability！

一、【導讀】

鋰離子電池(LIBs)通過支持清潔能源生產、綠色交通和更有效的能源利用，在實現向可持續社會發展的過渡中發揮著至關重要的作用。實現低碳和綠色未來將依賴于高能量密度(高容量和高電壓)、高環境友好性和低成本的鋰離子電池的發展。然而，目前LIBs的化學性質需要鈷(Co)等元素，隨著時間的推移，鈷可能會變得越來越稀缺，無鈷鋰離子電池的研究十分有必要。

二、【成果掠影】

日本東京大學Atsuo Yamada團隊構建了一個LIB，將無鈷陰極與具有4.9 V高截止電壓的低氧化硅（SiO_x）陽極配對?，并維持前所未有的1000次循環。這種有利的電極組合的基礎是基于3.4 M LiFSI/FEMC的合理電解質設計，具有移位電位，有助于在陽極上形成堅固的鈍化層，并促進電解質在還原性和氧化性降解中的穩定性。該電解質配方為實現可持續和高性能的鋰離子電池提供了一條途徑，同時這一概念也可以應用于其他電化學能源技術。相關研究成果以“Electrolyte design for lithium-ion batteries with a cobalt-free cathode and silicon oxide anode”為題發表在國際著名期刊Nature sustainability上。

三、【核心創新點】

1、構建的無鈷陰極與具有4.9 V高截止電壓的低氧化硅（SiO_x）陽極配對?，并維持前所未有的1000次循環；

2、高電位陰極在熱力學上提高了氧化穩定性，在動力學上阻止了鋁的腐蝕和過渡金屬的溶解，從而解決了高電位陰極引起的一些問題。

四、【數據概覽】

圖1使用3.4 M LiFSI/FEMC實現SiO_x|LiNi_0.5Mn_1.5O₄電池穩定運行的電位圖? The Author(s) 2023

圖2電解質的結構? The Author(s) 2023

圖3 SiO_x循環穩定性的提升? The Author(s) 2023

圖4 SiO_x表面的鈍化? The Author(s) 2023

圖5高電位下穩定的陰極運行? The Author(s) 2023

圖6SiOx|LiNi0.5Mn1.5O4全電池的優異的長期穩定性 ? The Author(s) 2023

五、【成果啟示】

利用3.4 M的LiFSI/FEMC電解質，通過優化全電池的整體電位圖，實現了SiO_x|LiNi_0.5Mn_1.5O₄電池在1000次循環以上的高能量密度且可持續的長期穩定循環。3.4 M LiFSI/FEMC溶液結構明顯，大多數Li⁺和FSI ^-離子廣泛協同形成密集的離子對網絡。這使得電解質中的Li⁺不穩定，并使大量具有修飾電子態的陰離子接近帶負電荷的SiO_x陽極。這有助于SiO_x陽極的穩定循環，通過提高SiO_x的熱力學反應勢和形成高功能的陰離子衍生的SEI。此外，由于高電位陰極在熱力學上提高了氧化穩定性，在動力學上阻止了鋁的腐蝕和過渡金屬的溶解，從而解決了高電位陰極引起的一些問題。這些先進的功能是由于溶劑氧化的潛力增加和溶劑氟化的溶劑化能力減弱以及電解質的溶解能力差。雖然提出的電解質策略有望促進經濟和綠色電極材料的使用，但下一代電池系統的商業化仍然存在挑戰。進一步優化和發展電極組成和電池設計，包括具有高氧化和還原穩定性的薄分離器、具有高導電性的高耐氧化碳添加劑、先進的粘合劑和功能電解質添加劑、鈍化電極，以及設計電池包設計，以提高電池的整體安全性，將有助于提高電池在各種操作條件下的性能(低溫和高溫；快速充電，深度放電等)，從而促進實現高可持續高能量密度電池。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41893-023-01237-y

本文由小藝撰稿