部分溶剂化共溶剂诱导锂金属电池溶剂化结构和亥姆霍兹层重配置

部分溶剂化共溶剂诱导锂金属电池溶剂化结构和亥姆霍兹层重配置

  近日，合肥工业大学项宏发教授课题组在Energy Storage Materials上发表题为“Partially solvated cosolvent induced reconfiguration of solvation structure and Helmholtz layer for lithium metal battery”的研究型论文。该团队开发了一种以离子液体为基础，并添加部分溶剂化氟苯(FB)作为共溶剂的电解质体系。这一创新设计构建了独特的Li⁺溶剂化结构，并在电池充电时实现了亥姆霍兹层中非消耗性阳离子的富集。通过分子动力学模拟和实验表征，研究人员发现，氟苯不仅保持了离子液体主导的阴离子溶剂化结构，而且增强了Li⁺与FSI⁻的相互作用，同时部分取代了配位阴离子，从而改善了电解质的离子传导性并促进无机物富集的固体电解质中间相(SEI)的构建。

  该电解液在高倍率充放电和高温环境下表现出优异的循环稳定性稳定性。使用该电解质的锂金属电池在5 C倍率下循环2500次后容量保持率达89%，而在70℃和10 C倍率下循环1000次后容量保持率仍高达71%。这一研究揭示了部分溶剂化共溶剂在电解质溶剂化化学和界面稳定性优化中的潜在应用前景，为高性能锂金属电池的开发提供了新的设计思路。

图1 不同电解质体系的微观结构和Li+沉积行为示意图。

图2 (a) ILE（左）和ILE- fb（右）的典型平衡轨迹快照。(b) ILE和ILE- fb中Li+的rdf和(c) CNs。(d) ILE和ILE- fb中代表性溶剂化结构的比例。(e) ILE和ILE- fb中Li+与阴离子的配位。(f)纯FB、纯Pyr13FSI、ILE和ILE-FB的拉曼光谱。(g) ILE、ILE- tte和ILE- fb在20℃时的离子电导率。

图6 （a-d）在1 mA cm-2和1 mAh cm-2下，随着LMAs在ILE和ILE- fb中蚀刻深度的增加，f1和n1s的XPS谱图。(e) LiF2 -、(f) NO -的强度溅射分布图，(g) TOF-SIMS测量的相应的LiF2 -和NO -的三维重建分布图。(h) 0 ps, (i) 5 ps和(j) 10 ps时ILE-FB在锂电解质界面的AIMD快照。(k) 0 ps， 5 ps和10 ps时Li-F的RDF和CN。

图7 Li||LFP lmb的电化学性能(a) Li| LFP电池在室温下1℃的循环性能。(b) Li| LFP电池在室温下5℃的循环性能。(c) Li| LFP袋状电池在室温下1℃的循环性能。(d) Li| LFP电池在70℃、10℃下的循环性能。

【文章信息】

Partially solvated cosolvent induced reconfiguration of solvation structure and Helmholtz layer for lithium metal battery

Minghao Huang , Yueda Wang , Yongchao Liu , Rulong Zhou , Qian Hou * , Hongfa Xiang*.

Energy Storage Materials 71 (2024) 103572

DOI: 10.1016/j.ensm.2024.103572