应化所张新波课题组JACS：新型锂氧电池电解质

研究背景

与现有的电化学储能系统相比，非水系锂氧电池（LOB）理论能量密度高数十倍，极有可能解决续航的焦虑。长循环寿命是实现电池实际应用的先决条件之一，而当前LOB的循环性能仍然远未达到这一水平。在LOB不可或缺的成分中，有机电解质在影响电池性能方面发挥着至关重要的作用。

然而，现有的有机电解质和活性氧物种（如O₂^2-、LiO₂等）之间通常会发生严重的副反应，导致电解质的持续消耗和副产物（如Li₂CO₃和甲酸锂）的积累。这些副产物的分解需要高充电电压，这反过来又会进一步诱发碳电极和电解质的分解，并最终导致电池在短时间内快速失效。

此外，与LIB不同，LOB是一个半开放系统，有机电解质也面临着挥发性的挑战。这使得使用过量的电解质很常见，这减弱了LOB的能量密度优势。然而，即使电解质的挥发性较低，可以承受高充电电压和活性氧物种的攻击，但除非电解质和锂金属阳极之间的不兼容性问题得到解决，否则LOB的性能可能仍然不能令人满意。因此，开发一种与锂金属阳极兼容的稳定电解质对于提高LOB的性能具有重要意义。

成果简介

长春应化所张新波课题组近日在J. Am. Chem. Soc.上报道了一种用于高性能锂氧电池的低挥发性和耐用的深共晶电解质，文章标题为A Low-Volatile and Durable Deep Eutectic Electrolyte for High-Performance Lithium-Oxygen Battery。

离子液体和熔融盐电解质具有低挥发性和高稳定性，但是离子液体的高成本和熔盐电解质的高工作温度限制了它们的应用。深共晶溶剂（DES）可以通过以一定摩尔比混合两种或两种以上的固体氢键受体和供体来制备，其性能与离子液体和熔盐相似。因此，设计基于DES的深共晶电解质（DEE）不仅可以克服离子液体/熔盐电解质的优势，还可以消除其缺点。

受DEE的突出特征和N-甲基乙酰胺（NMA）对活性氧物种稳定的能力的启发，在这里，作者通过将NMA和双三氟甲磺酰亚胺锂（LiTFSI）混合，开发了一种NMA基的新型DEE，用于锂氧电池。N-甲基乙酰胺（NMA）中的极性基团与锂盐中的阳离子和阴离子的相互作用可以形成室温DEE。这种基于NMA的DEE与锂金属阳极具有良好的兼容性，具有较高的热、化学和电化学稳定性，很好地继承了酰胺基电解质和DEE的优势，克服了常用有机电解质的缺点。

因此，基于NMA的DEE能够形成更少的副产物，从而实现了令人满意的电化学性能，包括高放电容量、优异的倍率性能和长期循环稳定性。最重要的是，在60°C的高温下，含有NMA基DEE的LOB的寿命可以进一步提高，是基于四乙二醇二甲醚（TEGDME）的电解质电池的8倍。设计的稳定DEE扩展了LOB电解质的选择。

这里的发现加深了对将DEE应用于LOB的可能性的理解，并为设计高性能电解质以促进LOB的实际应用提供了新的机会。

图文详情

图1. （a）NMA和LiTFSI相互作用的示意图。(b)不同温度下的离子电导率，(c)热重分析(TGA)曲线，(d) TEGDME-和NMA基电解质的LSV曲线。(e)TEGDME-和NMA基电解质在¹O₂处理前后的1H NMR谱。(f) TEGDME基电解质和NMA基电解质特性的雷达图。

图2. (a)不同电解质的锂/锂对称电池在0.1 mA cm⁻²电流密度下的循环性能。(b)循环50次前后Li/Li对称电池的Nyquist图。(c)不同电解质锂金属电极循环后的Li 1s XPS光谱。(d) TEGDME和(e) NMA电解质的锂金属电极循环50次后的SEM图像。

图3. (a) Ar和O₂气氛下玻碳工作电极在NMA基电解液中的CV曲线。(b)在NMA基电解液中，Super P阴极的原始、放电和充电的XRD谱图。(c)原始Super P，(d)在TEGDME放电和(e)在NMA电解液中放电后的SEM图像，(f)在NMA-电解液中充电后的Super P阴极。

图4. TEGDME和DEE为电解质的锂氧电池的电化学性能

图5. 15个循环后的正极表征和电解液的稳定情况

原文链接

A Low-Volatile and Durable Deep Eutectic Electrolyte for High-Performance Lithium–Oxygen Battery. J. Am. Chem. Soc. 2022.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c11711#

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应化所张新波课题组JACS：新型锂氧电池电解质

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