上海交大《Angew》：实现氟化氢的直接消除，助力高镍锂金属电池

随着电动汽车和消费电子行业的迅速发展，锂离子电池（LIBs）愈发承担着不可或缺的角色。然而，组装LIBs需要超低水分环境，比如手套箱或干燥室所提供的环境，进而导致能源消耗增加和技术限制。液态电解质由锂盐和有机溶剂组成，对水分高度敏感。电池内存在的水会导致锂盐的水解，产生氟化锂（LiF）和高腐蚀性的氢氟酸（HF），其中HF会攻击电池的界面，导致正极处有害过渡金属（TMs）溶出和负极的固态电解质界面相（SEI）的破损，最终危及电池的电化学性能。这些问题在锂金属电池（LMBs）中更为明显，因为HF与锂金属负极会发生更为剧烈的反应，导致容量加速退化，增加安全风险。此外，这些不利影响在高镍正极中更为明显，特别是在高压或高温条件下。近期，多孔材料（PMs）由于其具有高表面积、可调节的孔隙结构和稳定的化学/电化学性能等特性，被置于电池体系中来消除H2O/HF。然而，去除H2O的有效性受到PMs的物理吸附能力和特定化学吸附位点数量的限制。另外，目前大多研究是通过消除H2O来减少锂盐水解进而间接去除HF，而不是直接消除HF。

与HF相比，H2O对SEI的形成有一定的积极作用。这是因为PF6−的水解不仅会产生HF，还会产生LiF，而LiF是抑制枝晶生长的优良SEI组分。因此，直接中和或消除H2O衍生的HF，而不直接消除H2O，这将确保SEI中具有高含量的H2O衍生的LiF，进一步提高LMBs性能。然而，据我们所知，目前还没有一种经济、可持续的策略来解耦H2O、HF和LiF之间的相互作用，从而实现“保留H2O的同时消除HF”的目标。

上海交通大学变革性分子前沿科学中心梁正副教授设计并制备出哌啶掺杂、功能集成的分子筛（TW@PI）、并将其复合到聚乙烯（PE）隔膜表面来精确地消除由H2O产生的HF，从而使LMBs形成富LiF的SEI，即使在高H2O含量的电解液中也能确保稳定循环。因此，使用TW@PI-PE隔膜的对称锂电池在含有500 ppm H2O的碳酸基电解液中，在3 mA cm−2和3 mAh cm−2下实现了超过500小时的稳定循环，优于同类电池。此外，由于过渡金属溶解的有效限制，采用LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2正极的LMB在1000 ppm含水量和截止电压为4.6 V的条件下稳定循环100圈后，容量保持率可以达到81%。

相关研究成果以“Eliminating Hydrogen Fluoride through Piperidine-Doped Separators for Stable Li Metal Batteries with Nickel-Rich Cathodes”为题发表于期刊Angewandte Chemie International Edition（德国应用化学）上。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/anie.202411933

图1：HF对电极的破坏性及隔膜设计消除HF的原理

本文来自：上海交大。