上海电力大学李和兴教授团队AFM新进展：富氟电解质作为界面改性剂提高超低温下锂金属电池性能表现- 大数跨境

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上海电力大学李和兴教授团队AFM新进展：富氟电解质作为界面改性剂提高超低温下锂金属电池性能表现

科学材料站

2022-03-09

导读：该文章报道了一种低温条件下提高锂金属电池性能表现的碳酸盐电解质，实现了在超低温条件下 (-60 oC)的锂均匀沉积

文章信息

富氟电解质作为界面改性剂提高超低温下锂金属电池性能表现

第一作者：张达

通讯作者：李和兴*，闵宇霖*

第一单位：上海电力大学

研究背景

锂金属电池是新能源汽车和微电子设备等现代能源转换技术的核心要素，需要解决的关键问题是高能量密度、环境友好、长循环寿命和高安全性。得益于超高比容量和极低化学电势，锂金属负极已成为金属电池的标杆。

然而，商业碳酸盐电解液中锂负极的低库伦效率和锂枝晶生长限制了锂金属电池的高性能展示，尤其在低温（低于0 ^oC）下更为明显。因此，通过调整电解液组分调变，在低温下构建稳定的固体电解质界面（SEI）和溶剂保护鞘结构，是获得高性能锂金属电池的最有效、最经济的策略。

文章简介

基于此，来自上海电力大学的闵宇霖教授、李和兴教授团队在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“The Fluorine-Rich Electrolyte as an Interface Modifier to Stabilize Lithium Metal Battery at Ultra-Low temperature”的文章。

该文章报道了一种低温条件下提高锂金属电池性能表现的碳酸盐电解质，实现了在超低温条件下 (-60 ^oC)的锂均匀沉积。即使是在-40 ^oC，锂和磷酸铁锂配对组成的电池仍然能够达到90%的容量保持率，实现了超低温下的稳定充放电循环，破解了低温下锂金属电池容量严重“缩水”的瓶颈问题，为金属电池的商业化应用推广提供了一种稳定便捷的解决方法。

图1. 改性电解液的低温作用机理，上半部分为锂负极-电解液界面，下半部分为电解液-正极界面。

本文要点

要点一：实现稳定的界面沉积

锂负极的界面沉积一直是锂金属电池性能表现的关键所在，构筑稳定的界面电荷传输是抑制锂枝晶生长的主要手段。

在该研究中，使用全氟丁基磺酰氟（PBF）和双酚S（FS）作为碳酸盐电解液的改性电解质，改变低温条件下的锂离子溶剂化状态和固态电解质界面（SEI）组成，调控锂离子的快速传输和均匀沉积。采用原位显微镜测试了锂负极界面处的沉积情况，分析改性电解液在碳酸盐电解液体系中的作用机制。

图2 改性后的电解液沉积测试。在锂对称电池中，不同电解液进行电化学沉积后锂金属负极的形态发生变化，a) LPF₆，b) FS-LPF₆，c) PBF-FS-LPF₆。

要点二：低温下的沉积测试和电镜表征

为了评估电解液在低温下对于锂离子溶剂化作用的改性，测试了不同温度下的沉积效果，结果如图3所示。由于FS和PBF的加入，改善了锂离子的溶剂化作用，并且稳定的沉积确保了电池循环，富含氟化锂（LiF）的多晶相SEI改善了锂离子传输的动力学，保障了低温下锂沉积的效率。

图3 室温下锂沉积形态的SEM和TEM图像（插图是沉积后的光学图像），a) LPF₆，b) FS-LPF₆，c) PBF-FS-LPF₆。在-30 ^oC下锂沉积形态的SEM图像（插图是沉积后的光学图像），d) LiPF₆，e) FS-LiPF₆，f) PBF-FS-LiPF₆。g) -30 ^oC下锂沉积的TEM图像。

要点三：低温下的沉积库伦效率和锂-磷酸铁锂性能

在确定了SEI结构和沉积测试后，该文章研究了锂金属电池的低温性能。如图4所示，改性电解液展示出了优异的低温沉积库伦效率和高容量保持率。实现了-40 ^oC的锂-磷酸铁锂全电池的稳定充放电，克服了严苛条件下的电池低性能问题，为商业化锂金属电池提供了一个简单且经济的添加策略。

图4 低温条件下锂沉积性能表现，a) 锂-铜电池，b) 锂-磷酸铁锂电池，c) 锂对称电池。

文章链接

The Fluorine-Rich Electrolyte as an Interface Modifier to Stabilize Lithium Metal Battery at Ultra-Low temperature

https://doi.org/10.1002/adfm.202112764

通讯作者简介

李和兴 教授国家杰出青年基金获得者，现任上海电力大学校长。担任Appl. Catal. B副主编、教育部化学化工学部委员、国家“111引智基地”负责人、教育部重点实验室和国际联合实验室主任、中国光催化专委会副主任、上海市电力科协主席。

从事光催化污染治理和化学污染源头控制研究，承担国家自然科学基金重点项目和国际合作重点项目、科技部重大研发计划课题；发表SCI论文200余篇，包括Nat. Sustain.、Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.等，他引19000余次，H因子73，入选Elsevier化工领域中国高被引用作者；主编英文专著2部、中文专著5部，授权发明专利63件，其中转让9件。获教育部自然科学一等奖及上海市自然科学一等奖等。

闵宇霖 教授 2007年毕业于中国科学技术大学，获理学博士学位，师从俞书宏院士。2010至2011年在韩国浦项工业大学从事博士后研究工作。2015年获批上海市“曙光”计划。

主要从事能量转化材料的基础研究和应用基础研究，至今共发表包括Adv. Energy. Mater.，Adv. Funct. Mater.等SCI学术论文80余篇，所发表文章共被引用4000余次。近年来先后主持国家自然科学基金、教育部归国留学人员择优资助计划、省级自然科学重大项目。

第一作者简介

张达上海电力大学硕士研究生，师从李和兴教授。

主要从事锂金属电池电解液和锂金属负极的改性研究。在Adv. Funct. Mater.，ACS. Appl. Mater. Interfaces，ACS Sustainable Chem. Eng杂志上共发表3篇文章。