成果簡介

鋰金屬電池具有比鋰離子電池更高的能量密度，因而受到越來越多的關(guān)注。許多研究人員認(rèn)為鋰離子電池中使用的典型液體電解質(zhì)必須用固態(tài)電解質(zhì)代替來解決鋰枝晶問題。

而作者發(fā)現(xiàn)具有雙鹽LiDFOB / LiBF4液體電解質(zhì)的無負(fù)極鋰金屬電池在90次充電/放電循環(huán)后依然具有80%的容量。即使在50次循環(huán)后，液體電解質(zhì)電池中鋰表面也沒有鋰枝晶。

圖文速覽

對于無鋰金屬電池，電池負(fù)極用裸銅代替，正極用NMC111。由于電池中沒有過量的鋰，因此體積非常小（圖1a）并且能量密度顯著提高。

作者在氟代碳酸亞乙酯（FEC）中選擇單鹽電解質(zhì)：碳酸二乙酯（DEC）（體積比1：2）溶劑混合物作為對照。這些電池在40℃下在3.6和4.5V之間循環(huán)。從上圖中可以顯著發(fā)現(xiàn)單鹽對照電池在15個循環(huán)中容量降至80％以下。具有1M LiDFOB和0.2M LiBF4的雙鹽混合物的電池在90次充電/放電循環(huán)后依然具有80%的容量。

上圖顯示了在不同壓力下單鹽1M LiPF6（橙色方塊）和雙鹽0.6M LiDFOB + 0.6M LiBF4（藍(lán)色圓圈）電解質(zhì)的容量保持率與循環(huán)數(shù)的關(guān)系。在低壓（~75 kPa）下電池具有非常差的容量保持率。在完全充電狀態(tài)（4.5V）下拍攝的鋰形態(tài)的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像發(fā)現(xiàn)雙鹽LiDFOB / LiBF4電解質(zhì)即使在低壓下也無鋰枝晶。即使在50個循環(huán)后，表面依然平滑。

由于是通過僅改變電解質(zhì)中使用的鹽來大大改善鋰形態(tài)，因此作者研究了SEI膜組成的差異。上圖為三種不同電解質(zhì)的X射線光電子能譜（XPS）的表面分析結(jié)果。

分析發(fā)現(xiàn)增加的有機(jī)組分可有助于改善單鹽LiDFOB電池中的鋰形態(tài)和循環(huán)效率。在雙鹽LiDFOB + LiBF4電解質(zhì)中形成的SEI膜具有大量LiF。因此SEI膜中的大量LiF有利于鋰均勻沉積。

上圖顯示了在三種不同電解質(zhì)循環(huán)過程中電解質(zhì)組成的NMR。分析發(fā)現(xiàn)在第一次充電循環(huán)期間可能會消耗一些鹽以形成初始SEI膜，其表面具有硼（對于LiDFOB和LiBF4電解質(zhì)）或磷（對于LiPF6電解質(zhì)）。

在使用單鹽或雙鹽電解質(zhì)的電池循環(huán)期間，LiDFOB和LiBF4都被消耗（圖c，e）。以純1M LiDFOB電解質(zhì)開始的電池的NMR測量顯示，當(dāng)消耗LiDFOB時，形成少量的LiBF4。

全文總結(jié)

總之，作者發(fā)現(xiàn)使用不同的鋰鹽LiPF6，LiBF4和LiDFOB的電解液對電池的性能影響不同。具有雙鹽LiDFOB + LiBF4電解質(zhì)的電池具有最佳性能。本文中電池90個循環(huán)之后依然保持80％的容量，同時雙鹽電解質(zhì)可以有效地抑制鋰枝晶生長。這種電解液很有可能促進(jìn)全液體電解質(zhì)的巨大發(fā)展。

文獻(xiàn)信息

Long cycle life and dendrite-free lithium morphology in anode-free lithium pouch cells enabled by a dual-salt liquid electrolyte (Nature Energy, 2019, DOI: 10.1038/s41560-019-0428-9)

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41560-019-0428-9