SmartMat|综述：先进锂金属电池电解液设计研究进展
学术
科技
2024-09-19 12:22
天津
Mingnan Li, Caoyu Wang, Kenneth Davey, Jingxi Li, Guanjie Li, Shilin Zhang, Jianfeng Mao, Zaiping Guo. Recent progress in electrolyte design for advanced lithium metal batteries. SmartMat. 2023; 4:e1185.
https://doi.org/10.1002/smm2.1185
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锂金属电池(LMBs)由于其高能量密度而在电动汽车和下一代储能设备中引起了相当大的兴趣。然而，LMB的一个显著的实际缺点是Li金属/电解质界面的不稳定性，同时存在寄生反应和枝晶生长，导致库仑效率低和循环寿命差。由于电解质在电池中的重要作用，合理设计电解质可以提高LMB的电化学性能，并有可能实现快速充电和大范围的工作温度，以满足未来市场的各种要求。虽然有一些关于LMB电解质的综述论文，但重点是单独的单个参数或单个性能，因此不足以设计适用于广泛工作环境的先进LMB电解质。这篇综述系统总结了电解质方面的最新进展，包括对机制的基本理解，科学挑战，以及解决高性能LMB电解质缺陷的策略。分析了各种电解质策略的优缺点，为LMB的先进应用提供了最佳电解质性能的建议。最后，对电解质的研究方向进行了简要的讨论。
图 2. (A) 1 mol/L Li+的环境和ACN基电解质的HCEs。Copyright 2014,American Chemical Society.(B) 量子力学DFT-MD模拟在1 mol/L下的SSIP(左)、CIPs(中)和HCEs(右)上得到的态的投影密度。Copyright 2014, American ChemicalSociety.(C)溶液结构示意图:常规稀电解质(左)，浓电解质(中)，稀电解质(右)。Copyright 2022, American Chemical Society.
图 3. (A)溶剂和电解质的拉曼光谱以及不同电解质中Li+配位结构示意图。(B) 0.5 mA/cm2和(C) 1 mA/cm2下不同电解质对Li|Cu半电池循环稳定性的影响。Copyright 2022, Springer Nature.
图 4. (A) 3.25 mol/L LiTFSI−SL(上图)和3.25 mol/L LiTFSI−0.1 mol/ LLiNO3-SL(下图)电解质的MD模拟结构和示意图。0-3 V电解液初始循环伏安曲线(vs. Li+/Li)。Copyright 2020, Wiley‐VCH.(B) NO3−在非水电解质中的配位结构。Copyright 2021, Wiley-VCH.(C)不同电解质的LUMO能量及相应的优化几何结构。Copyright 2021, Wiley-VCH. 图 5. 在三电极电池中，不同浓度的LiFSI(或LiFSA)/DMC电解质对Al电极的线性扫描伏安图，电压为1.0 mV/s。插图显示了Al表面在1:10.8(左)和1:11.1(右)稀释电解质中循环的扫描电镜图像。白色刻度条代表20 μm。Copyright 2016, Springer Nature.
图 6.(A) LIP在甲基丙醚(MPE)和二甲醚中的溶解度比较。Copyright 2021, Wiley-VCH.(B)阴极在电解质中的循环稳定性(常规电解质:1 mol/L LiTFSI DME/DOL(1:1，体积比)+ 2 wt% LiNO3，超轻电解质:0.4 mol/L LiNO3 + 0.2 mol/L LiTFSI, DME/MPE(48:52，体积比)。Copyright 2021, Wiley-VCH.(C) Tyndall试验显示在0.4 mol/L Li2S/CPL/乙酰胺溶液中无沉淀或胶体。用纯CPL/乙酰胺和氧化石墨烯分散体作为对照样品(左)，照片显示CPL/乙酰胺中多硫化物和硫化物的溶解。所有样品中S的浓度均为0.4 mol/L(右)。Copyright 2019, Wiley-VCH.(D)由分子间氢键结合的CPL/乙酰胺混合物(左)。一种假想的动态溶剂化结构，涉及多溶剂分子溶解Li2S(右)。Copyright 2019, Wiley-VCH.(E) 0.2 mol/L Li2S在锂硫电池DES电解液中的循环性能。Copyright 2019, Wiley-VCH.
图 7. (A)在锂阳极上电荷转移的三个步骤示意图。(B) 0.1、1、2、3和5 mol/L DOL/DME基电解质的离子电导率。Copyright 2020, American Chemical Society.(C) S阴极上不同摩尔浓度电解质液滴接触角的数码照片。Copyright 2020, American Chemical Society.(D) SL电解液的跳变机理。颜色代号:锂=紫色;氧=红色;碳=灰色;阴离子=浅蓝色;硫=黄色。Copyright 2019, American Chemical Society.图 8. (A) 0.1 mol/L LiTFSI在FM中25°C和-60°C的循环伏安曲线。(B)在25°C下，使用FM-和传统的液体基电解质电镀/剥离Li超过400次循环的CE。(C)不同温度和C值下的放电容量(D) 0.1 C下不同温度下的电压与放电容量的关系。Copyright 2017, AAAS.图 9. (A)低温下Li沉积形态与溶剂溶剂化能力的关系示意图。(B) Li+溶剂配合物的结合能。左:Li+ DME;右:Li+ DMM。(C)DMM和DME电极拉曼光谱。(D) 1 mol/L LiFSI DME和1 mol/L LiFSI DMM在0.25 mA/cm2下，在-40℃下测定CE的电镀/剥离曲线，以及DMM电解质在不同温度下的Aurbach CE测试。Copyright 2022, Wiley-VCH.图 10. (A)不同温度下使用1.2 mol/L LiFSI AN-FM液化气电解质沉积Li的库仑效率。Copyright 2020, Royal Society of Chemistry.(B)双盐和(C)添加0.05 mol/L LiPO2 F2双盐电解质Li|NCM电池的充放电曲线。Copyright 2019, Wiley-VCH.(D) Li|NCM电池(2.7-4.3 V)分别使用1 mol/L LiPF6基电解质和1 mol/L LiTFSI (0.6) + LiTFPFB(0.4)双盐电解质，分别添加和不添加0.05 mol/L LiPO2 F2添加剂，在60°C和0.5 C下的循环性能。Copyright2019, Wiley-VCH.
图 11. (A) SL电解质的电化学稳定性。Copyright 2019, Elsevier.(B) Li(G4)x [TFSI]的线性扫描伏安图(LSV)。Copyright 2011, American Chemical Society.(C)通过LSV, LUMO和HOMO研究DTDL电解质的氧化稳定性。Copyright 2022, Springer Nature.图 12. (A) EC和DMC的还原和(B) EC和DMC的氧化机理。Copyright 2020, American Chemical Society.(C) LiPF6分解途径。Copyright 2020, American Chemical Society.(D) LiFSI和(E)使用AIMD模拟降低LiTFSI。颜色代号:锂=紫色;氧=红色;碳=灰色;氟=浅蓝色;硫=黄色，氮=蓝色;氢=白色。Copyright 2017, Royal Societyof Chemistry.
图 13. (A) 1 mol/L和TMP基高浓度电解质的可燃性测试。Copyright 2018, Royal Society of Chemistry.(B)离子液体和常规酯电解质的热稳定性和可燃性试验。Copyright 2020, Wiley-VCH.(C) TFA基电解质的化学结构。1 mol/L LiPF6在PC/TFA和自熄时间(SET)下的传统电解质(EL)和TFA基EL的可燃性测试结果。Copyright 2021, Wiley-VCH.
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作者简介
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郭再萍，教授，澳大利亚阿德莱德大学化学工程与先进材料学院的ARC Australian Laureate Fellow。她于2003年获得伍伦贡大学材料工程博士学位。在加入阿德莱德大学之前，她是伍伦贡大学的杰出教授。她的研究重点是用于能量储存和转换的电极和电解质材料的设计和应用，包括可充电电池，氢储存和燃料电池。
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