西交大高国新Angew: 构建宽温度范围锂金属电池高离子电导率界面的电解质工程

传统碳酸盐基电解质中形成的不稳定界面极大地阻碍了采用高容量富镍层状氧化物（如LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2、NCM811）的锂金属电池（LMB）在宽温度范围内的广泛应用。为了在宽温度范围内平衡离子传输动力学和界面稳定性，我们开发了一种以1,3-丙磺酸内酯为添加剂的双功能电解质（EAFP），用于电极/电解质相间。所得到的阴极-电解质间相具有无机内层和有机外层，具有较高的机械稳定性和柔韧性，可减轻应力积累并保持NCM811阴极的结构完整性。同时，富含无机物的固体电解质相间层可抑制电解质副反应，促进Li+的快速传输。因此，Li||Li电池在较低的过电位和较高的温度条件下表现出稳定的性能，尤其是在30 °C条件下实现了1000 小时的长寿命。此外，优化的EAFP也适用于LiFePO4和LiCO2阴极（1000 次循环，保持率：67%）。使用贫电解液（g/Ah 级）的Li||NCM811和石墨||NCM811袋式电池运行稳定，验证了EAFP广泛的电极兼容性。值得注意的是，Li||NCM811电池可在-40 °C至60 °C的宽气候范围内运行。这项工作为全天候LMB中电解质对相间的调节确立了新的准则。

图文简介

在( a) 30 °C，( b ) -20 °C和( c ) 45 °C下，EAF和EAFP对称Li||Li电池在0.5 mA cm -2和1 mAh cm-2的固定容量下的循环稳定性。( d ) 30 °C下使利用EAF和Aurbach’s方法对Li| Cu电池镀锂/剥离CE进行测量。( e ) Li沉积在Cu基板上的电压曲线。( f ) Li||Li电池的Tafel曲线。

( a ) Li | | NCM811电池在30 °C下的循环性能。( b )相应的充电/放电曲线和第一个循环的CE。( c ) EAFP测试Li||NCM811电池的CV曲线。( d )不同电流密度下Li||NCM811电池的倍率性能。( e )不同周期Li||NCM811细胞的EIS曲线。( f ) Li||NCM811电池的漏电流曲线从4.1 V到5.0 V，时间间隔为10 h。( g ) Li||LCO电池在30 ℃下的循环性能。

( a , b) HRTEM及其对应的FFT图像、( c、d)截面图像、( e , f) AFM图像以及( g , h)对应的NCM811在EAF和EAFP中的DMT模量分布图。在( k , l) EAF和( m , n) EAFP中形成的CEI的( k , m) O 1s和( l , n) F 1s的高分辨XPS。( i ) EAF和( j ) EAFP构建的CEI中CHO2-和LiF -次级碎片的三维渲染图。

在0.1 C下，Li||NCM811电池在( a ) -20 °C，( b ) -30 °C和( c ) 45 °C下的循环性能。( d ) Li||NCM811的大电流性能，N/P为2.72。使用( e ) EAF和( f ) EAFP在不同温度下测试Li||NCM811电池的充电/放电曲线。( g )从离子电导率、成本效益、最低工作温度、最高工作温度、阴极兼容性、寿命和氧化稳定性等方面对EAFP和已报道的典型电解质进行了雷达图分析。含有EAFP的( h ) Li||NCM811软包电池在( i ) 60 °C和( j ) -40 °C下点亮LED的光学图像。

论文信息

通讯作者：Guoxin Gao