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華科大張恒AEM:新型鋰鹽設計實現超強聚合物基鋰金屬電池

華科大張恒AEM:新型鋰鹽設計實現超強聚合物基鋰金屬電池
在過去的五十年里,由于固態聚合物電解質(SPE)具有優越的柔性、良好的加工性能和無泄漏性,利用SPE的可充鋰金屬電池(LMPBs)得到了越來越多的關注。毋庸置疑,在所有SPE成分中,鹽陰離子對LMPB的整體性能有重大影響。
然而,雙三氟甲磺酰亞胺鋰(普遍應用于目前的SPE中)對鋰金屬負極的界面穩定性相對較差,這大大阻礙了LMPBs的長期循環穩定性。
華科大張恒AEM:新型鋰鹽設計實現超強聚合物基鋰金屬電池
圖1. 設計理念
華中科技大學張恒等鑒于n-非氟丁苯磺酰基的特殊成膜能力,巧妙地選擇了一種類四氟乙烯磺酰亞胺鹽,即雙(n-非氟烷丁苯磺酰基)酰亞胺鋰(LiNFSI),以用于調節負極側固體-電解質界面相的特性。這主要是受到以下考慮的啟發。
1)NFSI-陰離子中多氟烷基鏈的電化學還原可能會產生類似特氟隆的氟聚合物[例如,(-CFx-CFx-)n],這可以使形成的SEI層具有卓越的柔性和化學穩定性;
2)多氟烷基的強電子吸收能力(例如n-C4F9-)和磺酰亞胺結構(-SO2-N(-)-SO2-)中負電荷的脫域,可以改善鋰鹽的解離,從而確保鋰離子在SPE中的傳輸;
3)提議的LiNFSI鹽具有化學穩定性,也能抵抗潮濕和其他濕氣,這有利于其在LMPB中的實際應用。
華科大張恒AEM:新型鋰鹽設計實現超強聚合物基鋰金屬電池
圖2. 利用特氟隆類陰離子的鋰負極-電解質界面的機理研究
研究結果表明,NFSI-與流行的TFSI-陰離子的共同使用可使鋰負極的界面穩定性顯著提高[短路時間:954小時(LiNFSI-LiTFSI/PEO) vs. 791小時(LiNFSI/PEO)vs. 124小時(LiTFSI/PEO)],但對傳輸特性的影響很小。此外,機理研究表明,NFSI-陰離子的還原分解產生了氟化低聚物/聚合物和LiF,這可以有效提高所獲得的SEI層的機械化學穩定性。
特別是,將類似特氟隆的NFSI-陰離子與流行的TFSI-陰離子相結合的共鹽體系可以抑制TFSI-陰離子的不必要的分解,并進一步調節SEI層的彈性和傳輸性能。因此,相應的Li||LiFePO4電池在不同的倍率下提供了前所未有的增強循環能力而沒有枝晶的形成(例如,超過300次循環的平均CE值>98%)。
該工作表明,巧妙的鹽陰離子化學結構設計和共鹽策略可以成為調節電極-電解質界面的有效方法,從而解決普遍存在的LMPB和其他類型的可充金屬電池所遇到的界面問題。
華科大張恒AEM:新型鋰鹽設計實現超強聚合物基鋰金屬電池
圖3. Li||LiFePO4電池性能
Design of a Teflon-Like Anion for Unprecedently Enhanced Lithium Metal Polymer Batteries. Advanced Energy Materials 2023. DOI: 10.1002/aenm.202204085

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