清华大学张强Angew.Chem.Int.Ed.：调控锂离子溶剂化层，增强锂金属电池稳定性

本文摘要：【章节】新能源电动汽车和便携式电子设备的较慢发展，很大地推展了社会对安全性的、低比能的储能体系的市场需求。在众多的负极材料中，金属锂由于理论比容量极高（3860mAhg?1）和电极电势较低（–3．040Vvs．标准氢电极）的特性，沦为负极材料的最佳自由选择。然而，锂化学性质开朗，更容易电解液反应在锂负极表面分解固态电解质界面膜（SEI）。

【章节】新能源电动汽车和便携式电子设备的较慢发展，很大地推展了社会对安全性的、低比能的储能体系的市场需求。在众多的负极材料中，金属锂由于理论比容量极高（3860mAhg?1）和电极电势较低（–3．040Vvs．标准氢电极）的特性，沦为负极材料的最佳自由选择。然而，锂化学性质开朗，更容易电解液反应在锂负极表面分解固态电解质界面膜（SEI）。由于SEI的构成和结构上的不均匀分布性，锂在沉积过程中更容易分解枝晶，从而导致电解液损耗、电极粉化以及体积收缩等问题，造成其无法应用于商业化电池。

因此，调控SEI均匀分布性，诱导锂枝晶分解，强化锂金属电池循环稳定性沦为当下的主要挑战。【成果概述】近日，清华大学张强教授课题组通过调控液态电解液中锂离子溶剂化层的构成和结构，提高SEI和锂沉积的均匀分布性，从而强化了锂金属电池在液态电解液中的循环稳定性。在液态电解液中，SEI的组分主要源于锂离子的溶剂化层。

因此，调控锂离子溶剂化层可明显提高SEI的均匀分布性，诱导锂枝晶分解。本工作中，氟代碳酸乙烯酯（FEC）和硝酸锂（LiNO3）通过醚酯混合溶液的溶剂化起到同时引进电解液中，转变锂离子的溶剂化层的构成和结构，从而分解含有LiF和LiNxOy的SEI，强化SEI的均匀分布性，取得均匀分布的锂沉积形貌。

将该电解液运用于纽扣和软包电池中，皆可以取得低库仑效率和宽循环寿命，并且可以在低温和高温条件下平稳运营，很大提升了锂金属电池的循环稳定性。分子动力学和第一性原理的计算出来仿真，更进一步说明了了新型电解液中锂离子的溶剂化层的构成和结构，强化了人们对于溶剂化层在分子层面的了解，为之后电解液的设计获取了新的思路。涉及成果以“HighlyStableLithiumMetalBatteriesEnabledbyRegulatingtheSolvationofLithiumIonsinNonaqueousElectrolytes”为题公开发表在Angew．Chem．Int．Ed．上。

【图文简介】图1．原位光学显微镜仔细观察锂沉积过程a）EC／DEC和b）FEC／LiNO3电解液中锂的沉积形貌，沉积电流密度为1．0mAcm－2。图2．Li｜LiFePO4纽扣及软包电池的电化学性能Li｜LiFePO4纽扣及软包电池在EC／DEC或FEC／LiNO3电解液中的电化学性能。

a）Li｜LiFePO4纽扣电池在0C倍率下的循环性能和库仑效率。b）Li｜LiFePO4软包电池在2C倍率下的循环性能，软包电池用于50μm薄的锂箔为负极。

c）Li｜LiFePO4纽扣电池的电压－容量曲线。d）Li｜LiFePO4纽扣电池的电化学电阻序（EIS）。e）Li｜LiFePO4纽扣电池在?10℃时，有所不同倍率下的比容量和库仑效率。

f）Li｜LiFePO4纽扣电池在60°C的高温性能和库仑效率。图3．SEI的构成和结构分析锂金属负极在FEC／LiNO3电解液中构成SEI的构成和结构分析。a）Li1s谱图，b）N1s谱图。

c）在FEC／LiNO3电解液中构成的SEI的TEM图像d）有所不同电解液下，锂离子穿越SEI必须的活化能。图4．计算出来仿真锂离子溶剂化层a）FEC／LiNO3和b）EC／DEC电解质液的分子动力学仿真结果。元素颜色：H白，Li紫，C灰，O红，N蓝，F蓝和P黄。

并未溶剂简化的溶剂分子为深灰色。c）FEC／LiNO3和EC／DEC电解质中Li–O和Li–F径向产于函数g（r）的仿真结果。d）基于第一性原理计算出来的溶剂和锂离子之间的结合能。e）FEC／LiNO3和f）EC／DEC电解液中构成的锂离子溶剂化层、构成SEI的示意图。

【小结】基于调控锂离子溶剂化层的思路，FEC和LiNO3被同时引进到电解液中，构成一种新型的电解液。FEC替代传统的EC作为共计溶剂参予溶剂化层，同时，LiNO3通过溶剂化起到水溶液醚酯混合电解液并参予溶剂化层。

由于溶剂化层构成和结构的转变，造成分解的SEI中含有LiF和LiNxOy，从而强化SEI的均匀分布性，诱导锂枝晶的生长。该新型电解液在纽扣电池和软包电池中均展现低库伦效率和宽循环寿命的特性，锂金属电池稳定性明显强化。

同时，该新型电解液在高低温条件下仍可保持稳定循环性能，具备较宽的工作温度窗口。理论仿真则更进一步说明了了溶剂化层构成和结构的转变，为之后新型电解液的研发获取了新的思路。本工作的作者依序是张学强、陈翔、程新兵、李博权、沈馨、闫崇、黄佳琦和张强。

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