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北理工在高安全酰胺基电解液设计方面取得重要研究进展

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近日,北京理工大学前沿交叉院黄佳琦教授课题组在高安全不燃酰胺基电解液设计方面取得重要研究进展。该研究成果以《Regulating Solvation Structure in Nonflammable Amide-Based Electrolytes for Long-Cycling and Safe Lithium Metal Batteries》为题在线发表在国际期刊《Advanced Energy Materials》(影响因子29.368)。本文的通讯作者为北京理工大学前沿交叉院黄佳琦教授,第一作者为北京理工大学材料学院/前沿交叉院博士研究生张乾魁


随着电动汽车、便携式电子设备和大规模电网需求的不断增长,人们对高能量密度的二次电池提出了更高的要求。其中,金属锂电池由于其高能量密度(>350 Wh kg-1)而广受关注。随着研究的推进,金属锂电池循环寿命逐渐提升。但在应用方面,仍需考虑金属锂电池的安全问题。金属锂电池的安全问题主要是由于使用了高度易燃的有机溶剂引起的。为了降低有机溶剂的可燃性,不燃溶剂的开发引发了广泛关注。虽然不燃溶剂能够降低着火风险,但由于不燃溶剂与金属锂之间具有高的反应活性,这会降低金属锂电池的循环稳定性。因此,对金属锂电池而言,不燃溶剂的开发需要在增强锂沉积均匀性的基础上,并增强电解液的热稳定性和不燃性,从而兼顾金属锂电池的循环稳定性和安全性。

黄佳琦课题组提出通过调控二甲基乙酰胺(DMAC)基电解液的溶剂化结构,以实现金属锂电池循环稳定性和电解液不燃性之间的兼容。该研究工作使用不可燃溶剂DMAC构建了不可燃局部高浓度电解液(LHCE)。在LHCE-DMAC电解液中,大量的聚集体(AGG)有利于形成阴离子诱导的固体电解液界面相(SEI),以规避DMAC与金属锂之间的寄生反应,提高了锂沉积的均匀性,这保证了实用化条件下金属锂电池循环稳定性与电解液的不燃性之间的兼容。

DMAC溶剂不燃的主要原因是它能够捕获电解液中的氢自由基和氢氧自由基,阻断了燃烧的链式反应。但是在低浓度下,DMAC与金属锂之间的界面相容性较差。为了进一步提升DMAC与金属锂的界面相容性,我们设计了LHCE-DMAC来增强金属锂的界面稳定性。在LHCE-DMAC中,金属锂负极界面稳定性提升的原因是本体电解液中含有更多的AGG的溶剂化结构,这有利于阴离子衍生的SEI的生成。


图1 (a)不同电解质的阻燃测试,(b) 不同电解液的热重测试,(c)LHCE-DMC和LHCE-DMAC在不同温度下的软包电池红外图像,(d)针刺过程中相应的温度-时间曲线。

LHCE-DMAC的自熄灭时间为0 s g−1,这说明LHCE-DMAC是不燃的(图1)。DSC测试表明LHCE-DMC在130℃出现放热峰(114.6 J g−1),而LHCE-DMAC在260℃出现放热峰(283.7 J g−1),这说明LHCE-DMAC具有高的热稳定性。红外图像显示,LHCE-DMAC电池的最高温度可达47.1oC,远低于LHCE-DMC电池的温度(65.3 oC)。

通过调控LHCE-DMAC电解液中的溶剂化结构,实现了金属锂电池循环稳定性与电解液阻燃性之间的兼容。DMAC溶剂是不可燃的,LHCE-DMAC也保持高度的不可燃和热稳定性。在LHCE-DMAC中,大量的AGG结构生成并有利于富含LiF的SEI的形成,以规避DMAC溶剂与金属锂之间的寄生性反应,并提高锂沉积的均匀性。因此,在LHCE-DMAC中,Li | Cu电池具有高于99.2%的库伦效率,并确保了Li | NCM523电池在实际条件下的循环稳定性与电解液的不可燃性之间的兼容。这项工作为推广通过调控不燃电解液中的溶剂化结构,开发具有长循环和高安全性的实用金属锂电池开辟了一条新的途径。

来源:北京理工大学

文章链接:

https://doi.org/10.1002/aenm.202200139

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