Nature Nanotech. 使用锂金属阳极和高容量/高压阴极开发不易燃的全氟化电解质

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撰稿 | 淡淡的天空            编辑 | 化学加

导读

近日，国际顶级期刊Nature Nanotechnology在线发表了来自美国马里兰大学王春生教授、美国陆军实验室许康博士（共同通讯）以及阿贡国家实验室的Khalil Amine博士（共同通讯）和第一作者范修林博士和陈龙博士等人的最新研究成果，通过调控电解液中的氟化溶剂，在低浓高度氟化的电解液(1M LiPF6 FEC/FEMC/HFE)中实现了锂金属负极，NMC811和LCP等高容量、高电压正极的高效循环。循环过程中，该氟化电解液在锂金属一侧形成以LiF为主的SEI，同时在正极一侧形成以含氟复合物为主的CEI。氟化物在所有的化合物中具有最强的结合能，最低的电子电导，最高的热力学稳定性，故几个纳米的厚度即可隔断电子的传输，从而大大抑制了电解液和正负极材料持续的副反应，扩展了电解液的正负极窗口，实现了锂金属、高压正极材料的高效循环。另外高度氟化的电解液，大大抑制了电解液体系的可燃性，故大幅提高了电池体系的安全性能。

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目前的商用锂离子电池皆是基于锂离子在正负极之间的可逆嵌入、脱出反应，电解液为EC基的酯基电解液。经过20余年的发展与优化，其能量密度已经接近其理论值。要进一步提高其能量密度，必然要开发新的正极材料、负极材料以及与之相匹配的电解液体系。在所有的可能的负极材料中，Li金属具有最高的理论容量 （3860 mAh/g），最低的电位 (-3.04 V vs SHE)，故最近几年受到了广泛关注。而与此同时，正极材料一直是锂离子电池能量密度进一步提升的关键性限制因素。因此，要大幅提高锂离子电池的能量密度，在利用锂金属替代目前的嵌入式石墨负极材料的同时，必须要利用更高能量密度的正极材料替代现有的LiCoO2、LiFePO4等正极材料。

目前为止，由于锂离子电池宽的正负极电压窗口，，没有任何一种电解液能够同时对锂离子电池的高压正极材料和低压负极材料同时热力学稳定。故形成有效的CEI/SEI膜是实现正负极可逆循环的关键因素。EC基电解液由于能够在石墨负极一侧形成稳定的SEI，而同时其正极一侧的稳定窗口可以达到4.3 V左右，故被广泛的应用于目前的基于石墨的锂离子电池材料。而EC酯基电解液，对锂沉积溶解的库伦效率仅为80-90%，而正极一侧的稳定窗口也偏低，限制了其在新一代更高能量密度电池中的应用。醚基电解液由于其耐还原，虽然对锂金属具有较高的库伦效率，但其正极一侧稳定窗口比EC酯基电解液还低。故要进一步提高能量密度，必然要开发新的电解液以匹配更高电压的正极材料，同时也能匹配锂金属负极材料。