清华大学张强:金属锂电池中阴离子衍生固态电解质界面

2021年08月17日21:55:03 科学 1974

高能量密度和长循环的可充电电池是追求低碳社会所必需的。锂金属电池由于其超过350 Wh kg−1的实际比能量密度而复兴。然而,树枝状锂沉积严重阻碍了锂金属电池的实际应用,导致电池循环寿命短,甚至存在安全隐患。一般认为,树枝状锂沉积是由锂金属负极上形成的异质的不均匀的固体电解质界面(SEI)引起的。因此,在锂电池负极上构建稳定、均匀的SEI是锂电池走向应用的必要条件。

SEI是由电解质的还原分解产物组成。SEI的组成和结构主要受电解质结构的控制,即溶剂、阴离子和锂离子之间的微观相互作用。电解质结构不仅随溶剂和锂盐的种类而变化,而且随盐的浓度而变化。

近年来,高浓度电解质(HCE)和局域高浓度电解质(LHCE)通过形成稳定的SEI来稳定锂金属负极表现出独特的优势。溶剂与锂盐的摩尔比低(< 2),阴离子被吸收到锂离子的第一溶剂鞘中,在HCE或LHCE中形成接触离子对(CIP)和聚集(AGG)。SEI的成分随后由HCE和LHCE中的阴离子调控,称为阴离子衍生SEI。

清华大学张强:金属锂电池中阴离子衍生固态电解质界面 - 天天要闻

尽管其在稳定锂金属负极方面的性能有吸引力,但目前阴离子衍生的SEI在应对实际条件的挑战方面存在不足,包括超薄的锂负极(< 50 μm),低负极/正极比(< 3), 和贫电解液(< 3g Ah−1),以实现比能量密度超过350 Wh kg−1的长循环实用的锂金属电池。因此,需要进一步提高阴离子衍生SEI的稳定性和均匀性,以克服实际条件下的挑战。

以CIP和AGG形式存在的阴离子是阴离子衍生SEI的主要前体。通过盐浓度调节电解质中CIP (FSI−配位到一个锂离子)、AGG-I (FSI−配位到两个锂离子)和AGG-II (FSI−配位到两个以上锂离子)的比例、溶剂和稀释剂的种类对阴离子衍生SEI的组成和结构有重要影响。

一般情况下,阴离子的电解质结构是由锂离子间接调控的,因为溶剂和稀释剂分子具有弱的正电荷局域性,不能直接与阴离子相互作用。因此,通过直接与阴离子相互作用来调控阴离子电解质结构的新策略备受期待。

清华大学张强课题组最近在国际知名化学期刊Angew报道了一种阴离子受体,三(五氟苯基)硼烷(TPFPB),提出通过缺电子硼(B)原子中心直接调控阴离子的电解质结构。

清华大学张强:金属锂电池中阴离子衍生固态电解质界面 - 天天要闻

通过与TPFPB的直接相互作用,以AGG-II形式的FSI−显著增加。此外,根据密度泛函理论(DFT)计算,由于TPFPB和FSI−之间的相互作用,FSI−的还原稳定性降低。因此,促进了FSI−分解生成Li2S。在实际条件下工作的Li | LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 (NCM523)电池中,TPFPB调节的阴离子衍生SEI在容量保持率为80%的基准下可以循环194圈,而常规阴离子衍生SEI为98次循环。

清华大学张强:金属锂电池中阴离子衍生固态电解质界面 - 天天要闻

清华大学张强:金属锂电池中阴离子衍生固态电解质界面 - 天天要闻

科学分类资讯推荐

多年以来进口微差压表终于有了新的替代方案 - 天天要闻

多年以来进口微差压表终于有了新的替代方案

在半导体制造工艺中,环境与设备的精密管控直接关系到芯片良率与性能。山本,长野计器(NAGANO KEIKI)的微差压表凭借百年计测技术积淀,为半导体行业提供高纯度气体监测、洁净室压差管控等关键环节的精细解决方案,成为全球前沿晶圆厂和封测企业
广东老板给我6万元,让我挖棵结满红果子的树寄给他,我拒绝了 - 天天要闻

广东老板给我6万元,让我挖棵结满红果子的树寄给他,我拒绝了

之前进山摘木子经过这条路,然后在路边拍了一颗植物,这颗植物上面结满了果实,非常漂亮。这条视频被一个广东有钱老板刷到了,他说想把这颗植物挖回去种在他的院子门口,非常漂亮,象征着非常喜庆,红红火火的意思。他说要转6万块钱给我,让我挖到来然后寄给
全球首例船对船液态二氧化碳卸载作业在上海洋山港成功完成 - 天天要闻

全球首例船对船液态二氧化碳卸载作业在上海洋山港成功完成

6月19日13时50分,在洋山港海事局的远程监控和现场保障下,历时约9个小时,大型集装箱船“长顶”轮在洋山港盛东码头顺利将船载碳捕集系统捕捉的二氧化碳约25.44吨,通过船对船作业的方式卸载至二氧化碳运输船“德锦26”轮,这标志着全球首次液态二氧化碳船对船接卸作业安全完成,进一步丰富了在船捕集的二氧化碳的卸载方式...
以色列袭击伊朗昆达布重水反应堆区域 - 天天要闻

以色列袭击伊朗昆达布重水反应堆区域

6月19日,据伊朗学生通讯社(Iranian Students News Agency,ISNA)报道,以色列袭击了伊朗昆达卜重水反应堆区域。 该出版物称:“当局称昆达卜重水反应堆区域已提....
清华惊现“神秘高科技组织”,校方回应 - 天天要闻

清华惊现“神秘高科技组织”,校方回应

最近,“清华学生戴头套看演出”的照片在网上引发关注。照片中,8名头戴监测设备的志愿者坐在新清华学堂的演出观众席。“是集体染发吗?”“这是个什么神秘高科技组织?”“这种高科技对身体有影响吗?
科研进展|减肥竟会释放“体内炸弹”?中农大动科学院王波副教授团队揭示体重波动中的隐形危机 - 天天要闻

科研进展|减肥竟会释放“体内炸弹”?中农大动科学院王波副教授团队揭示体重波动中的隐形危机

2025年6月,动科学院王波副教授团队在环境健康领域自然指数顶级期刊 Environmental Health Perspectives 发表突破性研究成果。这项历时多年的研究发现,当人体因减肥导致脂肪分解时,蓄积在脂肪组织中的有毒物质会大量释放,对肝脏和代谢系统造成二次伤害。该研究为理解现代人面临的复合健康风险提供了全新视角。 脂肪组织...
喜马拉雅深处惊现800具人类遗骸,他们是被“铁球”砸死的朝圣者? - 天天要闻

喜马拉雅深处惊现800具人类遗骸,他们是被“铁球”砸死的朝圣者?

地球是一个奇迹历史|印度将国家地理中文网设为星标方能收到正常推送这张由多张照片合成的图像展示了鲁普孔德湖(Roopkund Lake)及其周边群山。|国家地理图片集在印度喜马拉雅山脉深处的偏远地带,鲁普孔德湖(Roopkund)如同一个尘封的密码盒,蕴藏着考古学领域最令人不寒而栗的谜团之一——湖床中静卧着多达800具人类骸骨。...