研究表明，鋰金屬負(fù)極的不穩(wěn)定性嚴(yán)重縮短了實(shí)用化的鋰金屬電池（LIBs）的使用壽命。其中，氟化固體電解質(zhì)間相（SEI）是提高鋰金屬負(fù)極穩(wěn)定性的一種很有前途的策略，并且氟化分子的合理設(shè)計(jì)是構(gòu)建氟化SEI的關(guān)鍵。近段時(shí)間以來(lái)，崔屹老師，鮑哲南老師，成會(huì)明老師和周光敏老師等相繼發(fā)表了一系列關(guān)于氟化電解液?jiǎn)栴}，但一些問(wèn)題還依然存在，尤其是在實(shí)用化的鋰硫電池中的應(yīng)用時(shí)與多硫化物的副反應(yīng)問(wèn)題突出……在此，清華大學(xué)張強(qiáng)教授和北京理工大學(xué)張學(xué)強(qiáng)副研究員等人提出了一種氟化分子的設(shè)計(jì)原理，合理設(shè)計(jì)并合成了一種活化的氟烷基分子（AFA），首次使用2,2,3,3-四氟丁烷-1,4-二醇二硝酸鹽用于構(gòu)建了氟化SEI。首先，氟烷基（-CF2CF2-）作為富F儲(chǔ)層生成LiF，然后通過(guò)在β位點(diǎn)上留下基團(tuán)，明顯增強(qiáng)了C-F鍵的脫氟化作用，促進(jìn)了LiF形成反應(yīng)的快速動(dòng)力學(xué)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在實(shí)際條件下的鋰硫（Li-S）電池中，AFA構(gòu)建的氟化SEI循環(huán)183次是LiNO3形成的SEI的3倍。此外，一個(gè)360 Wh kg-1的Li-S軟包電池在AFA修飾的電解液中可循環(huán)25次。本研究論證了構(gòu)建實(shí)用化鋰金屬電池氟化SEI的合理分子設(shè)計(jì)原理。相關(guān)論文以“Fluorinating the Solid Electrolyte Interphase by Rational Molecular Design for Practical Lithium Metal Batteries”為題發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed.。
背景介紹
氟化SEI中含有豐富的LiF成分，被認(rèn)為是一種有望提高鋰金屬負(fù)極穩(wěn)定性的SEI。氟化SEI有利于鋰離子在SEI中的均勻輸運(yùn)，然后有利于鋰離子的均勻沉積/剝離。其中，氟化分子和鋰鹽，如FEC和LiFSI通常被用于構(gòu)建氟化SEI。FEC通常被用作助溶劑或添加劑，而LiFSI被作為高濃度電解液（HCE）或局部高濃度電解液（LHCE）中不可或缺的成分。然而，由最先進(jìn)的氟化分子和鋰鹽構(gòu)建的氟化SEI不能使鋰金屬負(fù)極持久穩(wěn)定，多硫化物（LiPS）可以與FEC等常規(guī)的氟化添加劑發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致氟化SEI很難形成和快速衰減。特別是在實(shí)際條件下，包括有限的鋰（<10 mAh cm-2）、低負(fù)/正容量比（N/P<3）和貧電解液（<3.0 g Ah-1）。此外，在新興的鋰硫（Li-S）電池系統(tǒng)中，利用FEC和LiFSI構(gòu)建氟化SEI受到了正極中間體的高反應(yīng)性的阻礙，且HCE和LHCE的高粘度限制了正極的動(dòng)力學(xué)行為，使得構(gòu)建氟化SEI的普遍性策略受到阻礙。因此，需要設(shè)計(jì)新的氟化分子來(lái)進(jìn)一步提高氟化SEI的穩(wěn)定性和構(gòu)建氟化SEI的通用性。
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