2019年1月4日
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现代工程与应用科学学院何平周豪慎课题组利用三元盐电解液实现低过量锂的高可逆锂电池

由现任工程与应用科学学院的何平教授和周浩申教授领导的研究小组介绍了LiTFSI-LiNO3-LiFSI三盐电解质体系,有效提高了金属锂阳极的循环稳定性和库仑效率。利用率高。该研究提出了三种盐的不同分区:LiNO3和LiFSI可以迅速与金属锂反应形成Li2O和LiF的致密保护层,这减少了电解质与金属锂之间的直接接触,从而改善了金属的循环性能。锂负极。 LiTFSI有效地改善了电解质本身的稳定性并抑制了电解质的自聚合。过量系数仅为0.44的锂金属负极和磷酸铁锂正极组装成一个完整的电池,70个循环的稳定循环,并且在100个循环后仍具有83%的容量保持率。该工作在低过量系数下显着改善了金属锂阳极的稳定性,这对于改善电池的能量密度是重要的。这项名为“用于高可逆锂金属电池的浓缩三元盐电解液,具有轻微过量Li”的研究于2018年12月14日在线发表在能源材料领域的领先出版物Advanced Energy Materials上。

金属锂具有高理论容量和低电位,并且被认为是非常理想的负极材料。然而,金属锂在电解质中不稳定,并且在充电和放电时发生树枝状形成,导致循环期间的低库仑效率(通常小于99%)。为了确保锂金属电池的循环寿命,通常在负极中使用大量过量的锂(超过3倍),这不仅增加了电池成本,而且降低了整个电池的能量密度。 。因此,提高锂金属阳极的库仑效率,抑制锂枝晶的生长,并确保锂金属电池在低过量锂条件下的长期循环是锂金属电池未来应用中需要解决的问题。

何平教授和周浩申教授介绍了LiTFSI-LiNO3-LiFSI高浓度三盐电解质体系,以提高金属锂负极的循环稳定性和库仑效率。经过450次循环后,金属锂的库仑效率仍达到99.6%。

图1:金属锂负电荷和放电曲线图a)双盐电解质b)三盐电解质。 c)循环期间电极的过电位。 d)每个循环的库仑效率和累积的不可逆容量。

研究发现三种盐在体系中起着不同的作用:LiNO3和LiFSI可以迅速与金属锂反应形成致密的Li2O和LiF保护层,从而减少电解质与金属锂之间的直接接触,从而改善循环金属锂负电极。性能。此外,LiTFSI的引入可有效地改善电解质本身的稳定性,并在高浓度LiFSI的情况下抑制电解质的自聚合。在三盐电解液中,金属锂的生长过程与LiTFSI-LiNO3复盐系统的生长过程也有显着差异,不仅在成核过程中产生的锂微球显着扩大,而且整体上也没有明显的分支。生长。晶体生长现象。

图2:a)在两种电解质中具有不同沉积容量的电极的光学照片。扫描电子显微镜图像具有0.2mAh cm 2的沉积容量:b)双盐电解质c)三盐电解质。扫描电子显微镜图像,沉积容量为1.0mAh cm2:d)双盐电解质e)三盐电解质。 f)不同电解质中SEI薄膜的F1能谱。 g)加入LiFSI后锂生长的示意图。

基于这种三元盐电解质,通过比较锂的过量倍数,发现锂越多,锂负极的平均库仑效率越高,锂负极的比容量将迅速降低。另外,在该电解质中,仅使用0.5倍过量的锂,并且长循环的平均效率可以进一步增加至99.4%。这是因为少量的残余锂可以降低锂沉积成核势垒,降低局部电流密度,并有效地减轻金属锂负极的体积效应。

图3:锂负电极在不同过量锂条件下的库仑效率和比容量。

图4:a)0.5倍过量锂的长循环性能。 B-f)在不同阶段扫描电子显微镜图像。 g)沉积的锂的厚度。 h)循环过程的示意图。

此外,由于添加了额外的LiFSI,电解质的浓度大大增加,电解液中的大量游离溶剂分子与锂离子结合形成稳定的复合物,有效地提高了电解液的氧化稳定性。 。这大大提高了三元盐电解质中磷酸铁锂电极的循环稳定性,库仑效率也提高到99.8%以上。

图5:锂金属 - 磷酸铁锂半电池的充电和放电曲线a)双盐电解质b)三盐电解质。 c)电池在不同电解质中的循环稳定性。 d)线性扫描伏安法。

TR 三盐电解质研究团队成功组装了一种锂金属 - 磷酸铁锂电池,其正极金属(容量比)仅为0.44:1。电池可以稳定循环70次以上,100次后仍能保持83%的容量。

图6:a)取出电池后残留在电极上的活性锂金属。 b)完全电池的循环寿命和库仑效率为0.44倍锂过量。 c)电极的XRD和光学照片。锂金属 - 磷酸铁锂电池的充放电曲线:d)双盐电解质e)三盐电解质。

通过引入LiTFSI-LiNO3-LiFSI高浓度三盐电解质体系,有效抑制了循环过程中金属锂的枝晶生长,并显着提高了锂负极的平均库仑效率。同时,该电解质在正极上也表现出高氧化稳定性。在500次循环后,磷酸铁锂电极仍可保持92%的容量保持率和99.8%的库仑效率。基于该电解质,在仅使用0.44倍过量锂的条件下组装的整个电池可以稳定地循环超过70个循环。未来,该团队希望通过进一步提高锂负库仑效率,进一步提高整个电池的循环寿命,同时进一步减少过量锂。

2014年手机赌博网站直系学生邱飞龙是本论文的第一作者。何平教授和周浩申教授是本文的作者。该研究由国家重点研究发展计划,新能源汽车,国家自然科学基金,江苏省自然科学基金和江苏省优势项目资助。

(现代工程与应用科学学院,科学技术系)