哈工大杨春晖、刘远鹏/大连化物所陈忠伟院士、罗丹ACS Nano：全氟化电解液助力实用的宽温域锂金属电池！

长期以来，锂金属电池（LMB）一直被认为是面向未来的储能系统，因为锂金属（Li）具有最高的理论比容量（3860 mAh g −1 ）和最低的氧化还原电位（vs. 标准氢电极为−3.04 V）。由于电解液的温度窗口有限，锂金属电池（LMB）的发展受到严重阻碍，这导致不受控制的副反应、形成不稳定的电解质/电极界面（EEI）以及宽温度运行条件下缓慢的去溶剂化动力学。

近日，哈尔滨工业大学杨春晖教授、刘远鹏教授和中科院大连化学物理研究所陈忠伟院士、罗丹研究员开发了一种由双（三氟甲烷磺酰基）亚胺锂、六氟苯（HFB）和氟代碳酸乙烯酯组成的全氟化电解液，它能有效调节溶剂化结构，从而使其在160℃（-50至110℃）的宽温度范围内运行。研究显示，引入耐热HFB可诱导EEI产生93%的高LiF比，从而抑制EEI上的副反应和气体产生，并增强极端温度下的界面离子转移。因此，在90℃下400次循环后，可以实现88.3%的容量保持率，在-50℃下的循环性能也得到了改善。同时，在贫E/C比为2.7 g/Ah和低N/P比为1.2的条件下，1.3 Ah级软包电池在60℃下可提供307.13 Wh kg-1的高能量密度，并在-30℃下50次循环后可提供277.99 Wh kg-1的高能量密度。总体而言，这项工作不仅为宽温度范围的电解液设计提供了可行的策略，而且促进了锂金属电池的实用化。

文章要点：

1. 这项工作开发了一种由LiTFSI、六氟苯（HFB）和氟代碳酸乙烯酯（FEC）组成的全氟化电解液，将实际LMBs的工作温度扩大到前所未有的160°C（−50至110°C）。

2. 经径向分布函数、基于分子动力学（MD）模拟的分子量统计和原位差分电化学质谱（DEMS）证实，耐热HFB不仅抑制了CO2和C2H4的生成，从而避免了有限的副反应，而且不参与Li+溶剂化结构，赋予了有利的去溶剂化动力学。

3. 此外，通过不同蚀刻时间的二维（2D）同步辐射掠入射 X 射线衍射（GIXD）、飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）和X射线光电子能谱（XPS）验证，所形成的SEI含有高达93%的LiF，这在全氟化电解液中是前所未有的。

4. 因此，在极端温度下，这种SEI可以有效抑制EEI的溶解和断裂。因此，Li/LiFePO4（LFP）电池在90℃下的400次循环中，每次循环的容量衰减仅为0.029%，并在-50℃下具有高效的充放电能力。此外，一种实用的Li/LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2（NMC811）软包电池在60℃下的能量密度为327.21 Wh kg-1，在-30℃下的能量密度为287.77 Wh kg-1。这种有效的电解液设计策略和内在机制的启示为实现宽温LMBs的实际应用提供了巨大的可能性。

图1 电解液设计

图2 电解液的理化性质

图3 SEI表征

图4 Li/LFP电池性能

图5 Li/NMC811软包电池性能

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原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c06231

来源：高分子科学前沿

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