王东海Nature Energy：最小化配位稀释剂提升锂金属电池寿命

第一作者：Guo-Xing Li

通讯作者：王东海、Anh T. Ngo

通讯邮箱：宾夕法尼亚州立大学

论文速览

延长锂（Li）电池的使用寿命需要通过策略性地调节电解液组成来管理锂阳极上的反应并稳定固态电解质界面（SEI）。本研究合成了一种氟化的环状醚，其具有最小化的锂离子配位能力，并提高了电化学稳定性。研究团队展示了其在SEI形成过程中的关键作用，通过区分双重阴离子对SEI层的贡献。因此，形成了一个双层SEI，具有富含Li₂O的内层和富含LiF的外层，从而提高了锂金属阳极的稳定性和可逆性。

开发的电解液在日历寿命和循环稳定性方面表现出显著的改进，Li (50 µm)||NMC811 (4 mAh cm⁻²) 电池在室温和60 °C下分别在568和218个循环后保持了80%的容量。此外，我们的410 Wh kg⁻¹原型软包电池在470个循环内展示了80%的容量保持率。

图文导读

图1：最小化锂离子配位能力的氟化环状醚如何促进稳定的SEI形成。

通过特定的环状结构设计，减少了与锂离子的配位，从而精细调控了双重阴离子在锂离子周围的距离，导致形成具有区分性的双层SEI，内层富含Li₂O，外层富含LiF。

图2：通过¹⁹F和¹⁷O核磁共振（NMR）研究了锂离子与稀释剂BTFE、TTE和HFTHP之间的配位相互作用。

结果显示，HFTHP与锂离子之间的配位作用最小，这有助于减少对SEI形成过程的贡献。

图3：通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线光电子能谱（XPS）深度分析研究了不同电解液中形成的SEI的形貌和化学成分。

D-HFTHP电解液促进了均匀无枝晶的锂沉积，并且在锂金属表面上形成了以无机成分为主的双层SEI。

图4：通过冷冻透射电子显微镜（cryo-TEM）技术进一步研究了形成的SEIs的纳米结构和调溶剂化结构。D-HFTHP电解液在锂金属表面上形成了清晰的双层SEI，富含无机成分，显示出均匀性和致密的钝化效果。

图5：不同电解液中Li||NMC811全电池的自放电情况和在60°C下的循环性能。

图6：Li||NMC811电池的循环性能和循环后电解液的演变。D-HFTHP电解液在循环测试中表现出了优异的循环稳定性和电解液成分的保持率。

总结展望

本研究通过引入一种最小化配位能力的高氟化环状醚稀释剂，开发了一种用于高能量密度锂金属电池（LMBs）的优质电解液。

与常用的线性氟化醚如BTFE和TTE不同，新开发的氟化醚稀释剂HFTHP显示出与锂离子的最小化配位，从而实现了锂离子与DFOB⁻相对于BF₄⁻阴离子的独特配位动态，并促进了双层SEI的形成，该SEI具有富含Li₂O的内层和富含LiF的外层。

得益于稀释剂的电化学惰性和由此产生的坚固SEI结构，高能量密度的LMB软包电池在提高自放电和高温性能方面展现出了显著的长循环寿命。

这项研究不仅增进了对氟化醚稀释剂溶剂化行为的理解，而且通过引入最小化配位稀释剂来促进稳定SEI层的形成，为开发LMBs的优质电解液提供了策略，从而实现了LMBs寿命的延长。

文献信息

标题：Enhancing lithium-metal battery longevity through minimized coordinating diluent

期刊：Nature Energy

DOI：10.1038/s41560-024-01519-5

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王东海Nature Energy：最小化配位稀释剂提升锂金属电池寿命

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