在2022年1月13日，斯坦福大學(xué)鮑哲南教授、崔屹教授和秦健助理教授（共同通訊作者）等人在Nature Energy上發(fā)表最新論文，該文題為“Rational solvent molecule tuning for high-performance lithium metal battery electrolytes”。值得注意的是，這是本年度鮑哲南教授和崔屹教授合作發(fā)表的首篇Nature Energy！
在本文中，作者系統(tǒng)地研究了一系列易于大規(guī)模合成的氟化-1, 2-二乙氧基乙烷（fluorinated-1, 2-diethoxyethanes，氟化-DEE）分子，將其用作電解質(zhì)溶劑。在1, 2-二乙氧基乙烷（DEE）上的選定位置通過迭代調(diào)整用不同數(shù)量的氟（F）原子官能化，以達(dá)到庫倫效率（CE）、氧化穩(wěn)定性和離子傳導(dǎo)之間的平衡。與1.2 M雙（氟磺?；﹣啺蜂嚕↙iFSI）配對(duì)，這些基于氟化-DEE基-單鹽-單溶劑電解質(zhì)得被完全的表征。通過密度泛函理論（DFT）計(jì)算、溶劑化自由能測(cè)量、7Li核磁共振（NMR）、分子動(dòng)力學(xué)模擬和擴(kuò)散有序光譜（DOSY）等表征，研究了它們的Li+-溶劑結(jié)合能和幾何形狀、溶劑化環(huán)境，并且發(fā)現(xiàn)電池中離子電導(dǎo)率和過電位的測(cè)量結(jié)果是密切相關(guān)的。上述研究發(fā)現(xiàn)：部分氟化的局部極性-CHF2基團(tuán)比完全氟化的-CF3具有更高的離子傳導(dǎo)性，同時(shí)仍保持出色的電極穩(wěn)定性。具體而言，性能最好的F4DEE和F5DEE溶劑都含有-CHF2基團(tuán)。對(duì)于Li||Cu半電池中的1.2 M LiFSI/F5DEE不僅具有高離子電導(dǎo)率、低且穩(wěn)定的過電位，而且還實(shí)現(xiàn)了大約99.9%的Li庫倫效率（CE）、波動(dòng)僅為±0.1%、創(chuàng)紀(jì)錄的快速活化（Li||Cu半電池的第二次循環(huán)內(nèi)CE >99.3%）和高電壓穩(wěn)定性。由于適量氟化的氧化穩(wěn)定性，鋁（Al）腐蝕也得到抑制。這些特性使得薄Li（50-μm厚）||高負(fù)載-NMC811（LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2，約4.9 mAh cm-2）全電池能實(shí)現(xiàn)大約270次循環(huán)，而快速循環(huán)無陽極Cu||微粒-LFP（LiFePO4，約2.1 mAh cm-2）工業(yè)軟包電池能實(shí)現(xiàn)>140次循環(huán)，這兩種電池均處于最先進(jìn)的性能之列。
綜上所述，作者研究了一系列用于鋰金屬電池（LMBs）的氟化-DEE基電解質(zhì)，其中部分氟化的-CHF2基團(tuán)被確定并合理化為設(shè)計(jì)者的選擇。開發(fā)的電解質(zhì)，尤其是F4DEE和F5DEE，同時(shí)具有高離子電導(dǎo)率、低且穩(wěn)定的界面?zhèn)鬏?、可重現(xiàn)的高鋰金屬效率（在Li||Cu半電池中，1.2 M LiFSI/F5DEE高達(dá)99.9%，波動(dòng)僅為±0.1%）、創(chuàng)紀(jì)錄的快速活化（Li||Cu半電池的第二次循環(huán)內(nèi)CE >99.3%）和高電壓穩(wěn)定性。這些特性使LMBs和無負(fù)極軟包電池在貧電解質(zhì)和實(shí)際測(cè)試條件下具有較長(zhǎng)的循環(huán)壽命。通過形態(tài)學(xué)表征和SEI檢測(cè)揭示了扁平的Li沉積以及理想的陰離子衍生SEI。
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