谢佳教授AFM：氟苯作为电解液的新型共溶剂兼具低密度和低成本的优势用于实际的锂金属电池- 大数跨境

首页

谢佳教授AFM：氟苯作为电解液的新型共溶剂兼具低密度和低成本的优势用于实际的锂金属电池

科学材料站

2020-10-07

导读：该工作首次提出用氟苯（FB）作为高浓电解液的共溶剂，以获得低密度且低成本的稀释高浓电解液（FB-DHCE）。这种新型的电解液不仅能够显著提高锂负极的稳定性和库伦效率，并且能够在一系列实际的全电池测试

文章信息

氟苯作为电解液的新型共溶剂兼具低密度和低成本的优势用于实际的锂金属电池

First published: September 30, 2020

第一作者：姜智鹏，曾子琪

通讯作者：谢佳*

单位：华中科技大学

研究背景

尽管锂金属负极具有高的理论比容量（3860 mAh/g）和低的氧化还原电位（-3.04 V对比标准氢电极），但其在实际应用中仍面临许多问题。主要挑战来源于锂的不均匀沉积导致的锂枝晶无序生长，以及不稳定的界面SEI层。高浓度电解质（HCE）已被证明可以显着提高锂负极的循环寿命，但高浓电解液的广泛使用严重受限制于其高的密度，较高的粘度以及高昂的成本。

最近的一些研究表明，通过在高浓度电解液中添加共溶剂（又称为稀释剂，通常能与电解液溶剂混合而不能溶解锂盐）可以有效的稀释高浓电解液（DHCE），从而大大降低其粘度，并得到比高浓电解液更优异的性能结果。

然而，目前使用的大多数共溶剂集中在多氟醚类化合物（HFE），此类化合物具有相当高的密度（通常大于1.4 g/cm3）和高昂的成本，这对锂金属电池的能量密度以及实际应用具有显著影响。因此，迫切需要开发出一种低密度、低成本的新型共溶剂用于稀释高浓电解液。

文章简介

近日，华中科技大学谢佳教授在国际顶级期刊Advanced Functional Materials (影响因子：16.836) 上发表题为“Fluorobenzene, A Low‐Density, Economical, and Bifunctional Hydrocarbon Cosolvent for Practical Lithium Metal Batteries”的研究工作。

该工作首次提出用氟苯（FB）作为高浓电解液的共溶剂，以获得低密度且低成本的稀释高浓电解液（FB-DHCE）。这种新型的电解液不仅能够显著提高锂负极的稳定性和库伦效率，并且能够在一系列实际的全电池测试条件下（包括高面容量，低温环境，大电流密度，低电解液用量和超薄锂负极）均获得优异的循环性能。

图1. 不同电解液的溶剂化结构表征

本文要点

要点一：氟苯（FB）的加入能够增强Li+与DME的相互作用，从而能够在一定程度上抑制DME的分解

由于具有与DME具有相似的介电常数，FB能够很好地与DME混合，并且由于FB不能溶解锂盐，因此可以被选择用做共溶剂（图1a）。与已报道的大部分稀释剂相比，FB具有明显的密度和价格优势（图1b），拉曼测试结果表明，稀释后的电解液中FB大多是以自由溶剂的形式存在，这与其他共溶剂的存在形式相同（图1c）。

值得注意的是，分子动力学模拟和核磁测试结果表明（图1d-f），FB的加入能够使Li+与DME分子结合的更加紧密，从而能够有效的抑制DME的分解。

图2. 电解液对锂负极表面SEI的影响

要点二： FB的加入还能够有效调控SEI的成分，生成更多的LiF

自由的FB分子能够在锂负极表面还原生成LiF，从而能够更快的获得致密的SEI层。XPS结果表明，在使用氟苯稀释的电解液的锂片表面，其LiF和S-F键之比明显高于普通电解液和高浓电解液（图2a-c），这表明金属锂在该电解液中形成的SEI含有更多的LiF。这一结论可以进一步通过相应的高分辨TEM图像得到验证（图g-h），其生成了致密的层状SEI，并且主要成分为LiF。

图3. 不同温度下全电池的测试结果

要点三：基于以上氟苯的双功能特性，即使在实际测试条件下，使用氟苯稀释电解液的全电池依然可以获得优异的循环性能。

由于粘度的显著降低，氟苯稀释的电解液能够保持良好的低温电导率（图3a）。因此使用其组装的Li-S电池不仅能在室温下具有优异的循环性能（图3b），还能在低温条件下（-20 ℃）仍具有好的倍率（2C下能发挥出800 mAh/g的容量，图3c）和循环性能（300圈容量保持率58%，图3d）。

此外，使用该电解液，即使匹配高面容量的硫正极（正极载量10.4 mg/cm2）在大的电力密度下（3 mA/cm2），Li-S全电池仍能稳定循环超过150圈。

最后，值得一提的是，这种氟苯稀释的电解液，在使用高面容量的LFP正极（17.4 mg/cm2）匹配超薄的锂负极（20 μm），在贫液的条件下（3 g/Ah）能够稳定循环超过300圈并保持90%的容量，这一结果充分的说明了这种氟苯共溶剂对锂金属电池性能的显著改善效果。

图4. 实际条件下的全电池测试

文章链接

Fluorobenzene, A Low‐Density, Economical, and Bifunctional Hydrocarbon Cosolvent for Practical Lithium Metal Batteries

https://doi.org/10.1002/adfm.202005991

通讯作者介绍

谢佳，华中科技大学电气与电子工程学院教授、博士生导师

国家特聘青年专家，国家重点基础研究计划（青年973计划）项目“高比能二次锂硫电池界面问题基础研究”首席科学家。2002年于北京大学化学与分子工程学院获学士学位，2008年于斯坦福大学化学系获博士学位；2008-2012年美国陶氏化学任资深研究员；2012年初回国，担任合肥国轩高科动力能源股份公司研究院院长，从事动力锂离子电池研发及产业化工作；2015年担任华中科技大学教授。近年来在动力电池及电池关键材料、储能及新能源汽车领域等方面取得了原创性成果。在 J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy Mater. 等核心期刊发表论文60余篇，获专利授权48余项，其中发明专利授权23项。正在承担国家自然科学基金委重点项目、面上项目、动力及储能电池技术企业合作项目等。

姜智鹏，华中科技大学在读博士生

18级材料科学与工程学院博士生，导师为谢佳教授。研究方向为锂金属负极保护，尤其是利用界面修饰和电解液改性制备高性能的锂金属电池。参与青年973项目、面上项目、华为创新研究计划等项目。以第一作者在Angew. Chem., Nano Lett., ACS Nano，Adv. Funct. Mater. 等期刊上发表论文；申请发明专利7项（已授权1项），国际PCT专利1项。

曾子琪，华中科技大学电气与电子工程学院博士后

合作导师为谢佳教授。2018年博士毕业于武汉大学化学与分子科学学院（导师：曹余良教授）。研究方向为新型（高安全、低成本、高性能）电解液的设计和聚合物电解质的合成及应用。主持青年基金、博士后面上项目，参与青年973项目、面上项目等。以第一作者在Nat. Energy, Adv. Funct. Mater., ACS energy letters. Adv. Sci.等期刊上发表论文。

课题组介绍

华中科技大学电能存储与转换研究课题组成立于2015年，依托华中科技大学电气与电子工程学院强电磁工程与新技术国家重点实验室，主要致力于新能源电池及电池关键材料的研究与能源存储及转换技术开发。

课题组网站：http://rest.seee.hust.edu.cn