唐永炳教授Angew双离子电池：高浓度电解液提高双离子电池的能量密度和循环寿命- 大数跨境

首页

唐永炳教授Angew双离子电池：高浓度电解液提高双离子电池的能量密度和循环寿命

科学材料站

2020-06-27

导读：在这项工作中，作者开发了一种7.5 m LiFSI高浓度电解质，用于Al负极和石墨正极的DIB概念验证。

点击科学材料站,关注我们

通讯作者：唐永炳*

单位：中国科学院深圳先进技术研究院

导读

双离子电池（DIBs）因其低成本、高电压、环保等优点而备受关注。电解液作为充放电过程中活性离子的来源，对电池的容量、能量密度、循环寿命等性能起着至关重要的作用。然而，大多数基于LiPF6盐的电解液体系在DIBs中表现出不良的性能。

基于以上现状，中国科学院深圳先进技术研究院的唐永炳研究员等在国际知名期刊Angew. Chem.上发表题为“Highly Concentrated Electrolyte towards Enhanced Energy Density and Cycling Life of Dual-Ion Battery”的论文。Li Xiang为本文第一作者。

图1. 图片概要

在本研究中，作者成功地在碳酸盐电解液体系中开发了一种7.5m锂双（氟磺酰）酰亚胺（LiFSI）。与稀释电解液相比，这种高浓度电解液具有以下优点：

1）提高了石墨正极的插层容量和循环稳定性；

2）优化了铝负极的结构稳定性；

3）显著提高了电池的能量密度。基于这种浓缩电解质的概念验证DIB在200 mA g ‐1的放电容量为94.0 mAh g ‐1，500次循环后的容量保持率为96.8%。

通过计算电极材料和电解液，这种前型DIB的能量密度高达180 Wh kg-1，这是先前报道的DIB的最佳性能之一。

背景简介

1. 双离子电池的优点与不足

双离子电池（DIBs）以其高电压、低成本、环保等优点备受关注。为了提高DIBs的性能，人们在开发高容量电极材料、高压电解液等方面做了大量的工作。在负极方面，常用石墨，但它的低容量和抽头密度限制了DIBs能量密度的进一步提高。

在不同的替代负极材料中，硅、锡、铝等合金型负极因其高的理论容量（Li15Si4: 3579mAh g-1、Li4.4Sn: 994mAh g-1、LiAl: 993mAh g-1）而脱颖而出，Al既可以作为活性材料，又可以作为电流收集器，从而简化了电池结构，降低了DIBs的死区质量/体积，提高了能量密度。

然而，这些负极材料的循环稳定性仍不理想。首先，它们的体积变化较大（Si: 300%；Sn: 260%；Al: 97%），在锂化/脱锂过程中甚至发生粉碎，导致死锂的形成和容量的快速衰减。其次，由于负极粉碎而造成的SEI层的重复破坏/结构不断消耗电解液，导致阻抗增加，最终导致电池失效。

为了解决这些问题，人们报道了不同的策略，包括表面涂层、多孔设计和添加剂的引入。尽管取得了这些进展，但在实际应用中仍需要进一步改进。

2. 电解液对双离子电池的影响

另一方面，与传统的锂离子电池（LIBs）不同的是，DIBs的充放电过程中既有阳离子又有阴离子。作为活性离子的唯一来源，电解液的组成和浓度对其容量、能量密度等性能有着至关重要的影响，循环寿命。例如，与稀释电解液相比，浓缩电解液有利于减少电解液的使用，从而提高DIBs的质量/体积能量密度。

此外，随着自由溶剂分子的减少，浓缩电解液的抗还原/氧化能力有望增强，抑制了溶剂分子与石墨的共掺。然而，目前用于DIBs的电解液基于LiPF6盐仅显示出有限的浓度。

核心内容

在这项工作中，作者开发了一种7.5 m LiFSI高浓度电解质，用于Al负极和石墨正极的DIB概念验证。与浓缩电解质相比，该浓缩电解质具有以下优点：（1）石墨正极上FSI-的插层容量和循环稳定性提高；（2）延长了Al负极的循环寿命，这归因于形成了富LiF的固体电解质界面（SEI）层；（3）大大提高了电池的能量密度。基于这种高度浓缩的电解质的概念验证DIB在200 mA g-1时的放电容量为94.0 mAh g-1，在500次循环后的容量保持率为96.8％。基于电极材料和电解质，DIB的能量密度高达180 Wh kg-1，这是先前报道的DIB的最佳性能之一。

图二.

(a) The optical images of EC:DMC 1:1 (v/v) solvent, LiFSI salt, and as-prepared 7.5 m LiFSI electrolyte. (b) The comparison of LSV results with 0.8 m, 4.0 m, and 7.5 m LiFSI. (c) The galvanostatic charge/discharge curves of Li-graphite half-cell with 0.8 m, 4.0 m, and 7.5 m LiFSI. (d) Typical charge/discharge curve of Li-graphite half-cell with 7.5 m LiFSI electrolyte. (e) In situ XRD and (f) in situ Raman measurements during the charging/discharging process with 7.5 m LiFSI electrolyte. (g) Comparison of long cycling performance of Li-graphite half-cell with 4.0 m and 7.5 m LiFSI. (h) Charging/discharging curves of selected cycles for 7.5 m LiFSI electrolyte..

文章链接:

Highly Concentrated Electrolyte towards Enhanced Energy Density and Cycling Life of Dual-Ion Battery

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202006595

导师简介:

唐永炳研究员

唐永炳，中国科学院深圳先进技术研究院研究员，博士生导师，中心主任，国家优秀青年基金获得者，广东省工程中心、深圳市工程实验室主任、深圳市孔雀B类人才。主要从事新型储能材料及器件、功能薄膜材料的研发与应用研究。主持国家自然基金、军委科技委、中科院项目等科研项目20余项。已发表论文130余篇，其中影响因子＞10论文50余篇，H-index=43，11篇入选ESI高被引用论文。第一及通讯作者代表性论文发表于Nat.Commun., Nat. Chem., Adv. Mater.，Angew Chem., Adv. Energy Mater.，Nano Lett.， ACS Nano，Adv. Funct. Mater.等材料及能源领域知名国际期刊。申请专利393项，发明专利260项，PCT国际专利45项，美国欧盟日韩专利10项，授权专利101项。其中23项发明专利实现了转移转化，研发的“柔性超快充放电池”被第十九届高交会专家委员会从1000个推荐产品中评为“十大人气产品奖”和“优秀产品奖”。