SmartMat |研究论文：使用乙醚电解质实现可充电锂-二氧化锰电池
学术
科技
2024-10-15 09:08
天津
Dawei Xia, Hongpeng Gao, Mingqian Li, John Holoubek, Qizhang Yan, Yijie Yin, Panpan Xu, Zheng Chen. Enabling rechargeable Li-MnO2 batteries using ether electrolytes.
SmartMat. 2023; 4:e1208.
https://doi.org/10.1002/smm2.1208
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低碳的未来需要更实惠的电池，利用丰富的元素和可持续的电池寿命管理。尽管Li-MnO2电池具有经济和环境优势，但到目前为止，它们的应用主要局限于一次电池。本研究表明，在1,3‐二氧六环(DOL)/1,2‐二甲氧基乙烷(DME)中使用1 mol/L二氟甲基磺酰亚胺锂(LiTFSI)作为普通醚电解质，可以有效地缓解阻碍Li-MnO2电池稳定循环的主要限制因素之一锰溶解。本文发现抑制这种溶解可以使二氧化锰阴极高度可逆地循环，而不管合成的相和形态如何。此外，本文发现传统电解质中存在的LiPF6盐和碳酸盐溶剂都是造成先前循环挑战的原因。与二氧化锰阴极配对的醚电解质能够在各种速率下表现出稳定的循环性能，即使在60°C这样的高温下也是如此。我们的发现不仅代表了Li-MnO2电池具有延长寿命的决定性步骤，而且为可充电电池中巨大的锰基阴极提供了电解质的设计标准。
示例图 1. 左图展示了在电池循环中消除质子物质以减少锰溶解的策略。右图为层状β - MnO2微球的合成路线。这种模型二氧化锰阴极为电解比较提供了一个平台。图 1. (A) γ-MnO2前体的TGA。(B) h-β-MnO2的XRD谱图。(C) N2吸附曲线(附图为孔径分布)。(D) SEM图(附图为TEM，比例尺为2 μm)。(E)主要结构的TEM图像，(F)指定面的HRTEM图像(插图是h-β-MnO2从[13‐1]方向区域的FFT)。
图 2. 电流密度为C/20 (A)和1 C (B)时，h-β-MnO2在碳酸盐、LP40 (1 mol/L LiPF6 EC/DEC)和醚、1 mol/L LiTFSI DOL/DME中的电化学性能。(C)醚和(D)碳酸盐中1 C时的电压分布。(E)在C/20和1 C下，不同CMD的容量保留总结。误差条的生成基于至少两个重复单元格。(F)用h-β-MnO2比较三种电解质在1 C下的容量保持。
图 3. (A) TXM-XANES衍生的不同锰氧化物的X射线吸附光谱。(B)一小部分电极的化学状态映射。MnO2在C/10下放电至1.8 V(第一个循环)。标尺为1 μm。(C)基于醚或碳酸酯的LMO/电解质照片。箭头从原始阶段收集的图像(左)指向浸泡测试后收集的图像(右)。密封后的小瓶在60°C下加热1周。在0.5 C碳酸盐(D)中循环50次和200次后的锂的SEM-EDS结果(底部的EDS-mapping图清楚地显示了锰的分布);(E)醚。中间一栏的插页是隔膜顶部和锂金属(正阴极)的照片。放大的EDS光谱从5.5 keV至6.5 keV提供在右列。图 4. 活化EMD (EMD在350°C加热12 h)在1.8 V至3.7 V时的电化学性能:(A)在0.2 C时的循环性能。(B)不同循环数下0.2 C电压分布图。(C) 0.2 C中压。(D)不同循环状态下EMD在0.5 C充满电状态下的ex-situ XRD图谱。(E)从0.2 C到3 C的速率性能。(F) 60°C (0.5 C)高温循环。第一个循环在室温下完成。图 5. 不同MnO2阴极与我们的乙醚-MnO2体系的代表性循环数据总结。红色和深青色分别代表γ-MnO2和β-MnO2。
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作者简介
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陈政，加利福尼亚大学圣地亚哥分校纳米工程系和化学工程项目助理教授。他的研究组一直专注于能源储存和能源转换材料，以及绿色工艺，包括极端温度下的电池化学、高能阴极、硅/锂阳极、固态电池和电池回收以及未来的制造工艺。曾获美国宇航局(NASA)2018年早期职业教员奖、2018年LG化学全球电池创新大赛(BIC)奖，以及2018年ACF PRF新研究者奖。他被研究公司选为先进储能领域的Scialog研究员，并入选2019年国家工程院中美工程前沿研讨会(CAFOE)的参与者。
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