鋰金屬電池在下一代儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展中很有前途，但由于鋰枝晶的形成和正極開(kāi)裂，它們的循環(huán)壽命仍然很差。常用的醚電解質(zhì)和碳酸酯電解質(zhì)在活性鋰金屬陽(yáng)極和高壓陰極方面分別顯示出明顯的優(yōu)勢(shì)。雖然這些互補(bǔ)特性為高能量鋰金屬電池帶來(lái)了希望，但這種協(xié)同作用不能僅通過(guò)物理混合來(lái)實(shí)現(xiàn)。
為了解決上述問(wèn)題，本文構(gòu)思出來(lái)并成功合成一種分子內(nèi)雜化線(xiàn)性溶劑--碳酸二（2-甲氧基乙基）酯（BMC），它具有相當(dāng)高的氧化還原穩(wěn)定性和相對(duì)較弱的溶劑化能力。此外，BMC還具備溶解LiNO3的能力、出色的熱穩(wěn)定性和非易燃性。與一般濃度的雙氟磺酰亞胺鋰（LiFSI）相配合，優(yōu)化的單溶劑 BMC 型電解質(zhì)實(shí)現(xiàn)了高達(dá) 99.4% 的無(wú)枝晶鋰沉積/剝離平均 CE 值，超過(guò)了常規(guī)的醚基和碳酸酯基電解質(zhì)。此外，它還能使 LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2?(NCM811) 在 4.4 V 的高壓下良好運(yùn)行。因此，這些優(yōu)點(diǎn)使鋰離子高負(fù)載 NCM811（4.8 mAh cm-2）全電池在循環(huán) 150 次后仍能保持 92% 的容量。使用基于 BMC 的電解液，即使是要求更高的無(wú)負(fù)極銅||NCM811 紐扣電池和軟包電池，也能達(dá)到令人滿(mǎn)意的循環(huán)性能。更重要的是，鋰金屬軟包電池通過(guò)了穿刺測(cè)試，熱安全溫度提高到 155 ℃，有力地證明了 BMC 作為安全溶劑的關(guān)鍵特性。相關(guān)成果以“Hybridizing carbonate and ether at molecular scales for high-energy and high-safety lithium metal batteries”為題發(fā)表在國(guó)際期刊《Nature Communications》上。論文第一作者為復(fù)旦大學(xué)Jiawei Chen，通訊作者為復(fù)旦大學(xué)夏永姚和董曉麗教授。
圖 1：BMC分子設(shè)計(jì)的示意圖。
圖 2：溶劑和電解液的物理化學(xué)性質(zhì)。
圖 3：電解液的溶劑化結(jié)構(gòu)及其與電極的電化學(xué)行為。
圖 4：Li|Cu半電池的電化學(xué)性能、原位ECCS觀察和SEI的化學(xué)組成。
圖 5：鋰金屬全電池的電化學(xué)性能和安全評(píng)估。
總之，本研究通過(guò)分子工程手段，成功設(shè)計(jì)并合成了一種新型的BMC溶劑，通過(guò)分子內(nèi)雜交醚和碳酸酯基團(tuán)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電荷分布的精確調(diào)控。BMC基電解液在高電壓耐受性和鋰沉積/剝離效率方面表現(xiàn)出色，且在實(shí)際鋰金屬電池應(yīng)用中展現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性和安全性。這些研究成果不僅為高能量密度和高安全性鋰金屬電池電解液的設(shè)計(jì)提供了新的視角，也為未來(lái)商業(yè)化鋰金屬電池的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
Chen, J., Zhang, D., Zhu, L.?et al.?Hybridizing carbonate and ether at molecular scales for high-energy and high-safety lithium metal batteries.?Nat Commun?15, 3217 (2024).
全文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-47448-5
