二氟酯溶剂在极端条件下用于快速阴离子插入锂金属电池

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标题：Difluoroester solvent toward fast-rate anion-intercalation lithium metal batteries underextreme conditions

期刊：NATURE COMMUNICATIONS

网址：https://doi.org/10.1038/s41467-024-49795-9

图1：酯类阴离子插层的研究。

图2：阴离子插层锂金属电池的电化学性能。

图3 |电解质性质和配位化学。

图4 |锂在不同电解质中的镀/剥离行为。

图5 | Li金属表面SEI表征。

图6：阴离子插入锂金属电池在低温和滥用条件下的电化学性能。

一、背景

• 本文研究背景：随着环境挑战的加剧，电池技术的进步对于实现低碳社会至关重要。锂金属电池（LMBs）因其高能量密度而备受关注，但其实际应用受到过渡金属氧化物阴极的限制。
• 对相关研究工作的简述及评价：
• 现有的阴离子插层锂金属电池（AILMBs）因缺乏兼容的电解质而面临安全性和循环寿命的挑战。
• 传统电解质在高电压下与阴极发生不可逆反应，导致电极/电解质界面（CEI）形成，抑制阴离子插入。
• 现有的电解质如醚类和线性碳酸酯在高电压下不稳定，且存在易燃性和与锂金属不兼容的问题。
• 本文创新动机：设计一种新型的二氟酯电解质，以提高AILMBs的性能，解决现有电解质的安全性和稳定性问题，进而实现快速充电、低温操作和高耐久性的锂金属电池。

二、方法

方法概述

本文提出了一种基于二氟酯（di-fluoroester）作为电解质溶剂的阴离子插层锂金属电池（AILMB）的方法，旨在提高电池的性能和安全性。以下是方法的关键步骤和相关概念：

1. 电解质设计：

• 选择二氟酯（如2,2-二氟乙酸酯，DFEA）作为电解质溶剂，以提高氧化稳定性和与锂金属阳极的兼容性。

• 通过氟化酯分子，增强其抗氧化性能和与锂金属的稳定性。

• 通过计算模型和实验结果，发现二氟酯相比三氟酯（-CF₃）能有效减弱阴离子-溶剂相互作用，降低阴离子去溶剂化的动力学障碍，抑制溶剂共插层现象。

• 测试所开发的AILMB在1 A g⁻¹的快速循环条件下的耐久性，记录容量保持率和循环衰减率。

• 评估电池在-65°C下的放电能力，确保在极端条件下仍能保持稳定的功率输出。

相关概念与定义

• 阴离子插层锂金属电池（AILMB）：一种新型电池，使用石墨作为阴离子宿主，替代传统的过渡金属氧化物阴极，以实现更高的能量密度和更快的充放电速率。
• 去溶剂化动力学障碍：指在电池充放电过程中，阴离子从溶剂中脱离并进入电极材料的难易程度。
• 电极-电解质兼容性：电解质与电极材料之间的相互作用，影响电池的循环寿命和安全性。

通过上述方法，本文展示了二氟酯电解质在高性能AILMB中的应用潜力，尤其是在快速充电和低温操作条件下的优势。

三、实验

实验结果概括

1. 电解质性能

• 电解质类型: 二氟酯（DFEA，2,2-二氟乙酸乙酯）
• 离子导电率: 7.2 mS cm⁻¹（25 °C）
• 电化学稳定性: 高达5.5 V vs. Li⁺/Li
• 与锂金属阳极的兼容性: 优秀，无燃烧风险

2. 电池性能

• 电池类型: 锂金属电池（AILMB）
• 循环寿命: 10,000次循环
• 容量保持率: 88.0%（每循环容量衰减0.00128%）
• 低温性能: 在-65 °C时保持约63%的室温容量（25 °C）

3. 充放电条件

• 快速充电条件: 1 A g⁻¹
• 稳定功率输出: 在变形和过充条件下表现稳定

4. 关键概念与定义

• 阴离子插层锂金属电池（AILMB）: 采用石墨作为阴离子宿主，替代传统的过渡金属氧化物阴极。
• 去溶剂化动力学障碍: 通过二氟酯的设计，降低阴离子与溶剂的相互作用，改善插层反应的可逆性和动力学。
• 电极/电解质界面（CEI）: 传统电解质在高电压下形成高阻抗界面，影响阴离子插层。

5. 研究意义

• 应用前景: 适用于极端条件下的快速充电电动汽车、航空航天及极地设备，推动锂金属电池技术的进步。

四、结论

贡献点

1. 新型电解质设计：本文提出了一种基于二氟酯的电解质，显著提高了阴离子插层锂金属电池（AILMBs）的性能，尤其是在高氧化稳定性和电极兼容性方面。
2. 高循环寿命：研究表明，使用二氟酯作为电解质的AILMBs在1 A g⁻¹的快速循环条件下，能够实现高达10,000次循环的耐久性，且每次循环仅有0.00128%的容量损失。
3. 低温性能：该电池在-65°C下仍能保持约63%的室温容量，显示出优异的低温性能。
4. 安全性：二氟酯电解质具有非易燃性，解决了传统电解质的安全隐患，适合在极端条件下使用。

局限性

1. 电解质成本：虽然二氟酯电解质表现出色，但其生产成本和可获得性可能限制其大规模应用。
2. 长期稳定性：尽管短期循环性能优异，长期使用下的稳定性和性能衰退仍需进一步研究。
3. 应用范围：目前的研究主要集中在特定的电池配置和条件下，实际应用中可能面临不同环境和负载条件的挑战。

总结性结论

本文通过开发一种新型的二氟酯电解质，显著提升了阴离子插层锂金属电池的性能，尤其是在高循环寿命、低温适应性和安全性方面。这一研究为未来电池技术的发展提供了新的思路，尤其是在快速充电和极端环境应用中。然而，电解质的成本和长期稳定性仍需进一步探讨，以实现更广泛的应用。整体而言，该研究为锂金属电池的下一代技术奠定了基础，具有重要的应用前景。

来源：凯算新能源

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