北理工課題組在高安全酰胺基電解液設(shè)計(jì)方面取得重要研究進(jìn)展
發(fā)布日期：2022-05-16 供稿：前沿交叉科學(xué)研究院
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近日，北京理工大學(xué)前沿交叉院黃佳琦教授課題組在高安全不燃酰胺基電解液設(shè)計(jì)方面取得重要研究進(jìn)展。該研究成果以《Regulating Solvation Structure in Nonflammable Amide-Based Electrolytes for Long-Cycling and Safe Lithium Metal Batteries》為題在線(xiàn)發(fā)表在國(guó)際期刊《Advanced Energy Materials》（影響因子29.368）。本文的通訊作者為北京理工大學(xué)前沿交叉院黃佳琦教授，第一作者為北京理工大學(xué)材料學(xué)院/前沿交叉院博士研究生張乾魁。
隨著電動(dòng)汽車(chē)、便攜式電子設(shè)備和大規(guī)模電網(wǎng)需求的不斷增長(zhǎng)，人們對(duì)高能量密度的二次電池提出了更高的要求。其中，金屬鋰電池由于其高能量密度（>350 Wh kg-1）而廣受關(guān)注。隨著研究的推進(jìn)，金屬鋰電池循環(huán)壽命逐漸提升。但在應(yīng)用方面，仍需考慮金屬鋰電池的安全問(wèn)題。金屬鋰電池的安全問(wèn)題主要是由于使用了高度易燃的有機(jī)溶劑引起的。為了降低有機(jī)溶劑的可燃性，不燃溶劑的開(kāi)發(fā)引發(fā)了廣泛關(guān)注。雖然不燃溶劑能夠降低著火風(fēng)險(xiǎn)，但由于不燃溶劑與金屬鋰之間具有高的反應(yīng)活性，這會(huì)降低金屬鋰電池的循環(huán)穩(wěn)定性。因此，對(duì)金屬鋰電池而言，不燃溶劑的開(kāi)發(fā)需要在增強(qiáng)鋰沉積均勻性的基礎(chǔ)上，并增強(qiáng)電解液的熱穩(wěn)定性和不燃性，從而兼顧金屬鋰電池的循環(huán)穩(wěn)定性和安全性。
黃佳琦課題組提出通過(guò)調(diào)控二甲基乙酰胺(DMAC)基電解液的溶劑化結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)金屬鋰電池循環(huán)穩(wěn)定性和電解液不燃性之間的兼容。該研究工作使用不可燃溶劑DMAC構(gòu)建了不可燃局部高濃度電解液(LHCE)。在LHCE-DMAC電解液中，大量的聚集體(AGG)有利于形成陰離子誘導(dǎo)的固體電解液界面相(SEI)，以規(guī)避DMAC與金屬鋰之間的寄生反應(yīng)，提高了鋰沉積的均勻性，這保證了實(shí)用化條件下金屬鋰電池循環(huán)穩(wěn)定性與電解液的不燃性之間的兼容。
DMAC溶劑不燃的主要原因是它能夠捕獲電解液中的氫自由基和氫氧自由基，阻斷了燃燒的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。但是在低濃度下，DMAC與金屬鋰之間的界面相容性較差。為了進(jìn)一步提升DMAC與金屬鋰的界面相容性，我們?cè)O(shè)計(jì)了LHCE-DMAC來(lái)增強(qiáng)金屬鋰的界面穩(wěn)定性。在LHCE-DMAC中，金屬鋰負(fù)極界面穩(wěn)定性提升的原因是本體電解液中含有更多的AGG的溶劑化結(jié)構(gòu)，這有利于陰離子衍生的SEI的生成。
圖1 （a）不同電解質(zhì)的阻燃測(cè)試，(b) 不同電解液的熱重測(cè)試，（c）LHCE-DMC和LHCE-DMAC在不同溫度下的軟包電池紅外圖像，(d)針刺過(guò)程中相應(yīng)的溫度-時(shí)間曲線(xiàn)。
LHCE-DMAC的自熄滅時(shí)間為0 s g?1，這說(shuō)明LHCE-DMAC是不燃的（圖1）。DSC測(cè)試表明LHCE-DMC在130℃出現(xiàn)放熱峰(114.6 J g?1)，而LHCE-DMAC在260℃出現(xiàn)放熱峰(283.7 J g?1)，這說(shuō)明LHCE-DMAC具有高的熱穩(wěn)定性。紅外圖像顯示，LHCE-DMAC電池的最高溫度可達(dá)47.1oC，遠(yuǎn)低于LHCE-DMC電池的溫度(65.3 oC)。
通過(guò)調(diào)控LHCE-DMAC電解液中的溶劑化結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了金屬鋰電池循環(huán)穩(wěn)定性與電解液阻燃性之間的兼容。DMAC溶劑是不可燃的，LHCE-DMAC也保持高度的不可燃和熱穩(wěn)定性。在LHCE-DMAC中，大量的AGG結(jié)構(gòu)生成并有利于富含LiF的SEI的形成，以規(guī)避DMAC溶劑與金屬鋰之間的寄生性反應(yīng)，并提高鋰沉積的均勻性。因此，在LHCE-DMAC中，Li | Cu電池具有高于99.2%的庫(kù)倫效率，并確保了Li | NCM523電池在實(shí)際條件下的循環(huán)穩(wěn)定性與電解液的不可燃性之間的兼容。這項(xiàng)工作為推廣通過(guò)調(diào)控不燃電解液中的溶劑化結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)具有長(zhǎng)循環(huán)和高安全性的實(shí)用金屬鋰電池開(kāi)辟了一條新的途徑。
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/aenm.202200139
附作者介紹：
黃佳琦，北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院教授，博士生導(dǎo)師，九三學(xué)社社員。主要開(kāi)展能源界面化學(xué)研究。發(fā)表60余篇為ESI高被引論文，h因子89。擔(dān)任中國(guó)顆粒學(xué)會(huì)青年理事會(huì)理事，J. Energy Chem.、InfoMat編委，Chin. Chem. Lett.、Green Energy Environ.、Energy Mater. Adv.青年編委。曾獲評(píng)2016年中國(guó)化工學(xué)會(huì)侯德榜化工科技青年獎(jiǎng)，2018年中國(guó)顆粒學(xué)會(huì)青年顆粒學(xué)獎(jiǎng)，2018年國(guó)家級(jí)人才，2020年北京市杰出青年科學(xué)基金等；2018-2021年連續(xù)入選科睿唯安全球高被引科學(xué)家。
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