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锂离子电池虽具有低成本、自放电率低、无记忆效应及环境适应性强等优点,但其仍然无法满足诸多领域的需求。基于富锂锰基正极和锂金属负极构成的高压锂金属电池被认为是一种最具发展潜力的高比能电池。电解液是改善高压锂金属电池界面稳定性的关键,但是传统碳酸酯类电解液面临高电压下易分解、发生副反应等问题,难以同时在正负极表面形成优异界面膜。 针对上述挑战,中科院过程所张海涛研究员和董陶副研究员提出以乙烯乙基砜(EVS)和氟代碳酸酯(FEC)作为双添加剂构筑能对高压正极及高活性锂负极均亲和的电解液,解决了电解液与高电压正极和锂金属负极不能同时兼容问题。
作者通过理论计算与实验相结合,发现EVS将优先吸附在富锂锰正极表面并被氧化分解,而FEC则优先吸附在锂负极表面并被还原。此外,分子动力学模拟表明EVS和FEC会进入Li+溶剂化结构第一鞘层,减少溶剂分子参与溶剂化结构,从而增强电解液的高压稳定性。 作者研究发现,该电解液在正极侧通过形成含有S基团且适量LiF的均一致密CEI膜,实现电解液分解的有效调控并降低界面电阻,其还利于锂离子的快速传输且抑制过渡金属的溶出,从而保持富锂锰正极的完整性。在负极侧,形成的SEI中含有SOx成分且减少不良导电组分的生成,进而促进锂离子在界面上的高效传输,抑制锂枝晶的形成和生长。该双亲和电解液具有显著增强的氧化稳定性和快速的锂离子传输性能。最终,富锂锰/锂金属电池在4.8 V的高工作电压以及1 C的倍率下循环300圈后容量保持率仍高达97%。即使使用厚富锂锰正极片/薄锂片(50μm)电池在循环100圈容量保持率仍达91%。 该工作证明基于界面调控的双亲和电解液可同时在正负极表面生成高性能界面膜,为理性设计高压锂金属电池提供一个新的策略。 论文信息 Bi-affinity Electrolyte Optimizing High-Voltage Lithium-Rich Manganese Oxide Battery via Interface Modulation Strategy Xuedi Yuan, Tao Dong, Jiaxin Liu, Yingyue Cui, Haotian Dong, Du Yuan, Haitao Zhang 文章的第一作者是中科院过程所与郑州大学联合培养硕士研究生袁雪迪 Angewandte Chemie International Edition


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