研究表明，锂金属负极的不稳定性严重缩短了实用化的锂金属电池（LIBs）的使用寿命。其中，氟化固体电解质间相（SEI）是提高锂金属负极稳定性的一种很有前途的策略，并且氟化分子的合理设计是构建氟化SEI的关键。近段时间以来，崔屹老师，鲍哲南老师，成会明老师和周光敏老师等相继发表了一系列关于氟化电解液问题，但一些问题还依然存在，尤其是在实用化的锂硫电池中的应用时与多硫化物的副反应问题突出……在此，清华大学张强教授和北京理工大学张学强副研究员等人提出了一种氟化分子的设计原理，合理设计并合成了一种活化的氟烷基分子（AFA），首次使用2,2,3,3-四氟丁烷-1,4-二醇二硝酸盐用于构建了氟化SEI。首先，氟烷基（-CF2CF2-）作为富F储层生成LiF，然后通过在β位点上留下基团，明显增强了C-F键的脱氟化作用，促进了LiF形成反应的快速动力学。实验结果表明，在实际条件下的锂硫（Li-S）电池中，AFA构建的氟化SEI循环183次是LiNO3形成的SEI的3倍。此外，一个360 Wh kg-1的Li-S软包电池在AFA修饰的电解液中可循环25次。本研究论证了构建实用化锂金属电池氟化SEI的合理分子设计原理。相关论文以“Fluorinating the Solid Electrolyte Interphase by Rational Molecular Design for Practical Lithium Metal Batteries”为题发表在Angew. Chem. Int. Ed.。
背景介绍
氟化SEI中含有丰富的LiF成分，被认为是一种有望提高锂金属负极稳定性的SEI。氟化SEI有利于锂离子在SEI中的均匀输运，然后有利于锂离子的均匀沉积/剥离。其中，氟化分子和锂盐，如FEC和LiFSI通常被用于构建氟化SEI。FEC通常被用作助溶剂或添加剂，而LiFSI被作为高浓度电解液（HCE）或局部高浓度电解液（LHCE）中不可或缺的成分。然而，由最先进的氟化分子和锂盐构建的氟化SEI不能使锂金属负极持久稳定，多硫化物（LiPS）可以与FEC等常规的氟化添加剂发生反应，导致氟化SEI很难形成和快速衰减。特别是在实际条件下，包括有限的锂（<10 mAh cm-2）、低负/正容量比（N/P<3）和贫电解液（<3.0 g Ah-1）。此外，在新兴的锂硫（Li-S）电池系统中，利用FEC和LiFSI构建氟化SEI受到了正极中间体的高反应性的阻碍，且HCE和LHCE的高粘度限制了正极的动力学行为，使得构建氟化SEI的普遍性策略受到阻碍。因此，需要设计新的氟化分子来进一步提高氟化SEI的稳定性和构建氟化SEI的通用性。
