中國科大在鋰電池高安全性電解液的研究中取得新進(jìn)展

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心任曉迪教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王青松教授團(tuán)隊(duì)，研究發(fā)現(xiàn)利用分子間氫鍵的相互作用可以顯著改善醚基電解液在電極界面的穩(wěn)定性，并有效抑制鋰金屬電池?zé)崾Э剡^程。相關(guān)成果以“Molecular anchoring of free solvents for high-voltage and high-safety lithium metal batteries”為題發(fā)表在《自然?通訊》上，我校任曉迪教授、王青松教授為通訊作者，合作者包括化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院焦淑紅教授，博士生崔壯壯為論文第一作者。

鋰金屬電池因其超高的能量密度被視為下一代電池技術(shù)的有力競(jìng)爭者，但面臨著電解液穩(wěn)定性和安全性的雙重挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的碳酸酯類電解液雖然在鋰離子電池中得到廣泛應(yīng)用，卻難以兼容活潑的鋰金屬負(fù)極。相比之下,醚類電解液與鋰金屬有更好的相容性，但較差的抗氧化能力限制了其在高電壓正極中的應(yīng)用。提高電解液濃度雖然可以在一定程度上改善醚的電化學(xué)穩(wěn)定性，卻帶來了成本增加、低溫性能衰減等問題,更為棘手的是大量陰離子的存在會(huì)引發(fā)熱失控等安全隱患。

圖1.氫鍵相互作用及分子錨定電解液設(shè)計(jì)策略

針對(duì)上述難題，作者提出一種全新的分子錨定策略,有望同時(shí)解決醚基電解液的高壓和安全難題。他們?cè)谝叶级酌?DME)中加入含強(qiáng)極性C-H基團(tuán)的氟代醚溶劑(TTE)，發(fā)現(xiàn)DME和TTE之間可以通過氫鍵形成分子間的“錨定”作用，從而有效降低醚鍵上氧原子的電子云密度，大幅提高了溶劑的抗氧化能力。

圖2.鋰金屬電池電化學(xué)性能、表界面及安全性研究

基于分子錨定概念設(shè)計(jì)的電解液，展現(xiàn)出優(yōu)異的高壓性能。在Li+/溶劑摩爾比低至1:9的條件下, 這種電解液即使在4.7V的高壓下也沒有明顯的氧化分解。高電壓鋰金屬電池的容量保持率和庫侖效率均遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的高濃電解液。為了揭示其本質(zhì)機(jī)制，研究人員開展了系統(tǒng)的表界面分析。光譜和理論計(jì)算的結(jié)果一致表明，在高濃電解液中，陰離子和溶劑分子形成配位結(jié)構(gòu)，使電解液的氧化分解傾向大大增加。而在分子錨定電解液中，溶劑分子之間通過氫鍵形成穩(wěn)定復(fù)合物，有利于提升電解液的熱力學(xué)穩(wěn)定性。此外，由于減少了活潑陰離子的使用，分子錨定電解液在高電壓正極表面誘導(dǎo)形成的界面膜也更薄更穩(wěn)定。

研究人員進(jìn)一步考察了電解液的安全性能。在鋰金屬軟包電池中，當(dāng)溫度升高到140C左右，高濃電解液與鋰金屬劇烈反應(yīng)并放出大量熱量，而分子錨定電解液與鋰的相容性得到大幅提升。分子錨定電解液則可以將熱失控開始的溫度推遲到209C以上。這項(xiàng)工作證明，設(shè)計(jì)合理的分子間相互作用可以從根本上改變電解液的性能，為未來電池電解液的分子工程提供新的方向。