Angew. Chem. :强阴离子-溶剂相互作用拓宽醚类电解液电化学稳定窗口

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由于理论比容量的限制,基于石墨负极的传统锂离子电池逐渐落后于当前社会需求,使用具有更高理论比容量的硅基负极材料将有助于高比能锂离子电池的构筑。醚类电解液良好的还原稳定性可有效提升硅基负极界面稳定性,但无法兼容以高镍三元材料(NMC,Ni>0.6)为代表的高电压正极材料。提升醚类电解液在基于硅基负极、NMC正极的高比能体系中的界面稳定性具有重要意义。


近日,中国科学院化学研究所郭玉国研究员团队提出通过促进醚类电解液中的阴离子-溶剂相互作用,抑制溶剂分子的分解,并生成稳定的CEI,实现了醚类电解液在纯SiOx||NMC811体系的500圈稳定循环,展现出潜在的应用前景。



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相比于自由溶剂分子,与阴离子发生作用后,HOMO能级倾向于转移到阴离子上,实现了对溶剂分子的保护,并促进阴离子衍生CEI的形成。为此,作者依据阴离子-溶剂分子相互作用的经典描述,优选了硝酸锂,双(三氟甲烷)磺酰亚胺锂作为锂盐,四氢呋喃(THF)作为电解液(记作LTN电解液)。LTN电解液中阴离子-溶剂之间相互作用的增强得到了NMR和MD计算的直接验证。


对Li||Al半电池的LSV测试显示LTN电解液的正极稳定性显著提升(>4.3 V vs. Li+/Li),并可兼容NMC811正极稳定运行300圈(容量保持率为78.7%),优于商用EC基电解液。同时得益于醚类电解液的还原稳定性,搭配纯SiOx负极也表现出良好的循环性能。

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正负极界面的表征进一步体现出LTN电解液产生的阴离子主导的CEI、SEI的组分特点及其力学性质优势,并充分体现在循环后正负极材料良好的界面完整性上。

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最终,LTN电解液实现了SiOx||NMC811体系的500圈循环,容量保持率为81.7%。这一结果证实了策略的可行性和实用性,揭示了阴离子-溶剂分子相互作用与电解液电化学性质的紧密联系及对应的调控方式,为后续基于硅基负极和NMC正极的高比能锂离子电池电解液的设计和开发提供了思路。

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文信息

Insight into Anion-Solvent Interactions to Boost Stable Operation of the Ether-Based Electrolytes in Pure-SiOx||LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2 Full Cells

Yi-Fan Tian, Shuang-Jie Tan, Zhuo-Ya Lu, Di-Xin Xu, Han-Xian Chen, Chao-Hui Zhang, Xu-Sheng Zhang, Ge Li, Yu-Ming Zhao, Wan-Ping Chen, Quan Xu, Rui Wen, Juan Zhang* and Yu-Guo Guo*


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202305988




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