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魏志祥/吳曉東/許晶晶ACS Nano:無共插層醚類電解液實現(xiàn)快充/寬溫鋰電

魏志祥/吳曉東/許晶晶ACS Nano:無共插層醚類電解液實現(xiàn)快充/寬溫鋰電
醚基電解液具有低粘度和低熔點的特點,是滿足快充和低溫鋰離子電池(LIB)日益增長要求的理想選擇。遺憾的是,石墨(Gr)電極與常用的醚類溶劑不兼容,因為它們會不可逆地共嵌入到Gr夾層中。
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圖1 電解液設(shè)計
國家納米科學(xué)中心魏志祥、中科院蘇州納米所吳曉東、許晶晶等提出以環(huán)戊基甲基醚(CPME)作為無共插層的醚溶劑,它含有一個具有較大空間位阻的環(huán)戊烷基團,可獲得對Li+的弱溶劑化能力和較寬的液相溫度范圍(-140 至+106℃)。具體而言,這項工作設(shè)計一種包含1 M LiTFSI-CPME/氟代碳酸乙烯酯(FEC)的弱溶劑化電解液(WSE)。
研究顯示,與二甲醚溶劑的雙醚官能團對Li+的強螯合作用相比,CPME溶劑的單齒醚結(jié)構(gòu)降低了螯合作用,從而減弱了CPME與Li+的結(jié)合能,增強了Li+的遷移/脫溶劑化能力。此外,加入FEC助溶劑后,電解液離子電導(dǎo)率提高到2.23 mS cm-1,并進一步在Gr負極形成了堅固的富含LiF的SEI層。
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圖2 醚基電解液中Li+轉(zhuǎn)移/脫溶劑化能力對Gr電極相容性的影響
得益于簡單的脫溶劑化過程和Gr電極表面堅固的SEI層,所設(shè)計的WSE與Gr負極具有良好的兼容性。因此,Gr/L半電池在-60℃的超低溫條件下顯示出卓越的倍率能力和令人印象深刻的低溫性能,具有較高的比容量(319 mAh g-1)。采用這種WSE的實用磷酸鐵鋰(LFP)(負載≈25 mg cm-2)/Gr(負載≈12 mg cm-2)軟包電池在1 C下也顯示出穩(wěn)定的循環(huán)性能,1000次循環(huán)后具有高庫侖效率(≈99.9%)和高容量保持率(≈80%)。
更重要的是,得益于CPME溶劑超寬的液相溫度范圍和WSE的快速脫溶劑化能力,這種軟包電池還表現(xiàn)出良好的快充性能(5C充放電速率下的容量保持率約為52%)以及在-60℃超低溫條件下的巨大應(yīng)用潛力。
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圖3 全電池性能
Co-Intercalation-Free Ether-Based Weakly Solvating Electrolytes Enable Fast-Charging and Wide-Temperature Lithium-Ion Batteries. ACS Nano 2023. DOI: 10.1021/acsnano.3c04907

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