安徽工大姜智鹏/李永涛AFM：一种用于高倍率锂金属电池的安全醚类电解液

一种用于高倍率锂金属电池的安全醚类电解液

第一作者：杨涛

通讯作者：姜智鹏*，李永涛*

单位：安徽工业大学

高能量密度锂金属电池被视为下一代二次电池体系的有力竞争者，但其实际应用受到其低循环寿命和安全性问题的严重制约。在电解液中引入大量氟化溶剂可以同时增强锂金属电池的循环稳定性并降低电解液的可燃性，故近年来氟化电解液得到了广泛的研究。然而，氟化溶剂通常具有较低的溶剂化能力，从而导致电解液具有较差的电导率。因此，氟化电解液的广泛使用往往牺牲了锂金属电池的倍率性能，使其无法在高倍率条件下运行。

近日，来自安徽工业大学姜智鹏和李永涛教授在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“A Safe Ether Electrolyte Enabling High-Rate Lithium Metal Batteries”的研究性论文。该论文报道了一种安全的醚类电解液（SEE），具体成分为1 M LiDFOB + 0.5 M LiNO₃ in DME/PFPN (v/v = 7: 3)，以1,2-二甲氧基乙烷（DME）为主要溶剂，以保证锂离子的快速传输，并添加自熄添加剂乙氧基（五氟）环三磷腈（PFPN），赋予电解液不燃性。SEE结合了传统电解液高电导率和氟化电解液安全性的优点，并且与锂金属负极表现出良好的兼容性。

图1. 不同电解液的作用效果及点燃照片

要点一：溶剂化结构研究

理化性质测试表明，SEE具有良好的高压稳定性，并且相较于传统的氟化电解液表现出更高的电导率。拉曼光谱和分子动力学计算研究表明，DME起到解离锂盐的作用主要分布在第一溶剂化鞘层，起到传输锂离子的功能。而PFPN起到稀释剂的作用分布于外溶剂化层，这些游离的PFPN赋予了SEE不可燃的特性。

图2. 电解液的理化性质及溶剂化结构

要点二：锂负极性能研究

锂负极测试表明，SEE相较于传统电解液和氟化电解液表现出更优的锂负极兼容性和更高的库伦效率，相应的SEM图显示锂在SEE中显示出最致密的沉积形貌。进一步对锂负极的界面成分分析可知，金属锂能在SEE中形成富含B/N/F的界面保护层，该保护层能够抑制电解液的副反应并提供快速的锂离子传输通道。

图3. 不同电解液对锂金属负极的性能对比

要点三：锂金属电池性能测试

电化学测试表明，使用SEE组装的Li-NCM811电池在高达30 C的倍率下可以放电超过110 mAh g^-1的比容量，并且在10 C的倍率下经过300次循环后仍能保持初始容量的90%。此外，用SEE组装的实用化Li-NCM811全电池在3 C的高倍率下也能实现稳定的循环。

图4. Li-NCM811电池的性能测试

总之，我们设计了一种安全的醚类电解液，其兼具高导电率和不燃的优点，且该电解液与锂金属负极具有高的相容性，最终实现了锂金属电池在高倍率条件下的稳定循环。此项工作不仅对目前广泛研究的氟化电解液的缺点进行了深刻反思，而且为快充锂金属电池的开发提供了一种可靠的电解液解决方案。

A Safe Ether Electrolyte Enabling High-Rate Lithium Metal Batteries

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202404945

姜智鹏 安徽工业大学副教授，硕士生导师。研究方向为新型电解液的开发和锂金属负极保护，主持国家自然科学基金青年项目、安徽省教育厅自然科学基金重点项目、安徽省自然科学基金青年项目等。近年来，以第一作者或通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed., Nano Lett., Adv. Funct. Mater., ACS Energy Lett.等国际顶级期刊发表论文20余篇，授权发明专利7项，美国专利1项。

李永涛 安徽工业大学教授、博士生导师，日本九州大学访问教授，173计划技术首席，安徽省领军人才。“氢能科学与工程”国家控制布点专业带头人，“氢电高效转化与固态存储”安徽省重点实验室常务副主任。从事固态储氢材料与储能技术应用基础研究，主持国家自然科学基金、国防科技计划、国家重点研发计划子课题等15项。在Acta Mater., ACS Energy Lett., Nano Lett., Adv. Funct. Mater.等发表论文120余篇，部分入选高被引/热点论文和中国百篇最具影响国际学术论文，授权发明专利20余项，出版专著和教材3部/章。

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