Jeff Dahn教授Nature Energy：双盐液体电解质制备长寿命，无枝晶锂离子电池

成果简介

锂金属电池具有比锂离子电池更高的能量密度，因而受到越来越多的关注。许多研究人员认为锂离子电池中使用的典型液体电解质必须用固态电解质代替来解决锂枝晶问题。

而作者发现具有双盐LiDFOB / LiBF4液体电解质的无负极锂金属电池在90次充电/放电循环后依然具有80%的容量。即使在50次循环后，液体电解质电池中锂表面也没有锂枝晶。

图文速览

对于无锂金属电池，电池负极用裸铜代替，正极用NMC111。由于电池中没有过量的锂，因此体积非常小（图1a）并且能量密度显著提高。

作者在氟代碳酸亚乙酯（FEC）中选择单盐电解质：碳酸二乙酯（DEC）（体积比1：2）溶剂混合物作为对照。这些电池在40℃下在3.6和4.5V之间循环。从上图中可以显著发现单盐对照电池在15个循环中容量降至80％以下。具有1M LiDFOB和0.2M LiBF4的双盐混合物的电池在90次充电/放电循环后依然具有80%的容量。

上图显示了在不同压力下单盐1M LiPF6（橙色方块）和双盐0.6M LiDFOB + 0.6M LiBF4（蓝色圆圈）电解质的容量保持率与循环数的关系。在低压（~75 kPa）下电池具有非常差的容量保持率。在完全充电状态（4.5V）下拍摄的锂形态的扫描电子显微镜（SEM）图像发现双盐LiDFOB / LiBF4电解质即使在低压下也无锂枝晶。即使在50个循环后，表面依然平滑。

由于是通过仅改变电解质中使用的盐来大大改善锂形态，因此作者研究了SEI膜组成的差异。上图为三种不同电解质的X射线光电子能谱（XPS）的表面分析结果。

分析发现增加的有机组分可有助于改善单盐LiDFOB电池中的锂形态和循环效率。在双盐LiDFOB + LiBF4电解质中形成的SEI膜具有大量LiF。因此SEI膜中的大量LiF有利于锂均匀沉积。

上图显示了在三种不同电解质循环过程中电解质组成的NMR。分析发现在第一次充电循环期间可能会消耗一些盐以形成初始SEI膜，其表面具有硼（对于LiDFOB和LiBF4电解质）或磷（对于LiPF6电解质）。

在使用单盐或双盐电解质的电池循环期间，LiDFOB和LiBF4都被消耗（图c，e）。以纯1M LiDFOB电解质开始的电池的NMR测量显示，当消耗LiDFOB时，形成少量的LiBF4。

全文总结

总之，作者发现使用不同的锂盐LiPF6，LiBF4和LiDFOB的电解液对电池的性能影响不同。具有双盐LiDFOB + LiBF4电解质的电池具有最佳性能。本文中电池90个循环之后依然保持80％的容量，同时双盐电解质可以有效地抑制锂枝晶生长。这种电解液很有可能促进全液体电解质的巨大发展。

文献信息

Long cycle life and dendrite-free lithium morphology in anode-free lithium pouch cells enabled by a dual-salt liquid electrolyte (Nature Energy, 2019, DOI: 10.1038/s41560-019-0428-9)

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41560-019-0428-9