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| 不对称溶剂化电解液设计实现微米硅负极助力高能量锂电池 |
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2024年8月20日，美国马里兰大学王春生教授团队在Nature Energy期刊上发表题为“Asymmetric electrolyte design for high-energy lithium-ion batteries with micro-sized alloying anodes”的最新研究。
该研究报道了一种全新的锂电池电解液设计策略，验证了一系列基于不对称溶剂的新型电解液，该电解液设计优化了具有高对称性阴离子的六氟磷酸锂（LiPF6）盐和醚类溶剂之间的相互作用，实现了LiPF6盐和常用醚类乙二醇二甲醚（DME）衍生溶剂的优异兼容性，有效促进了富氟化锂（LiF）电解液-负极界面（SEI）的生成，从而实现了大颗粒硅材料（325 mesh）的商业化高效率循环。
该论文通讯作者是王春生教授，第一作者是厉爱民。
在新一代锂离子电池中，硅（Si）由于其超大的理论容量密度（3579 mAh g-1，Li15Si4），极低的价格优势和广泛的地理分布，被视为最具潜力的负极材料来迭代低能量密度的石墨负极（372 mAh g-1, LiC6）。另外，相比于锂金属负极，硅负极还拥有极高的安全性和工艺可操作性。然而，由于从Si到Li15Si4的锂化过程中产生的巨大体积膨胀（300%），硅负极颗粒很容易在充电-放电过程中破裂。目前的商业化碳酸酯电解液无法形成有效的电解液-负极界面（SEI），因此总是伴随着SEI的损坏和不断生成，从而导致破裂的硅颗粒进一步粉碎化，大大影响了硅负极的循环使用寿命。传统硅负极的改进方法主要集中于对其进行小颗粒纳米化、碳包覆或引入高强度的粘结剂。虽然此类改进适当地转移了硅材料的膨胀问题，一定程度上延长了硅负极的循环寿命，却也极大地增加了原材料成本，降低了硅负极的有效能量利用率。同时，纳米化的硅颗粒也会影响负极材料的日历寿命。因此，大颗粒的硅材料具有巨大的商业潜力。然而，这将对电解液的开发提出更为苛刻的要求。
近年来，马里兰大学王春生教授团队致力于开发新的电解液来解决大颗粒硅负极材料的循环性差、能量利用率低等问题。该研究团队前期首次报道了以四亚甲基砜为主溶剂的电解液设计，从而有效构建富含氧化锂（Li2O）和氟化锂（LiF）的复合SEI界面，使微米硅负极（Si）达到了99.8%的库伦效率，首次实现了Si||LiNi0.8Co0.15Al0.05O2（NCA）软包电池的长循环（120圈循环后可实现89%的容量保持率）[Nature Communications, 2024, 15(1), 1206]。
为实现更高能量利用率，马里兰大学王春生教授研究团队提出了使微米硅负极能够达到99.9%库伦效率的电解液设计原则。该团队研究发现利用低还原位点的醚类溶剂（比如四氢呋喃）和高还原点位的LiPF6盐配成的电解液可以促进PF6-阴离子在微米硅负极优先还原，同时抑制醚类溶剂的分解，从而实现高LiF含量的电解液-微米硅负极界面（SEI）的生成。这样可以有效阻止微米硅颗粒的进一步粉化，抑制电解液的持续分解，使微米硅负极能量利用率最大化。然而常见环状醚类比如四氢呋喃（THF）、二氧戊环（DOL）等在LiPF6的存在下很容易开环形成聚合物，导致电解液的迅速恶化。该研究团队发现适当加入甲基四氢呋喃（mTHF）可以抑制THF的开环聚合，得到的mixed THF/LiPF6电解液实现了微米硅负极长达400圈的循环[Nature Energy, 2020，5(5), 386-397]。然而，由于呋喃类溶剂的低沸点、低抗氧化性和高生物毒性，此类电解液不能够用在商业化软包电池和高能量密度正极材料比如LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2（NMC811）上，从而限制了硅负极能量的高效使用。另一方面，对于在锂金属电池中广泛应用的链状醚类溶剂比如乙二醇二甲醚（DME），一直以来被认为和具有高对称性的盐类比如LiPF6具有不兼容性，因为他们之间容易形成类似于{(PEO)Li}n(PF6)n的聚合物，从而没法构成稳定的电解液。
为解决这个难题，王春生教授团队提出基于不对称溶剂的电解液设计原则。这一原则旨在打破溶剂的对称性，这可以使Li+与溶剂的结合差异化，从而避免了{(PEO)Li}n(PF6)n类似聚合物的形成，同时能使LiPF6盐得到充分解离，实现了DME衍生醚类溶剂和LiPF6盐的高度兼容。另外，将DME通过化学的方法引入到吡咯烷盐阳离子，形成离子液体电解液，可以同时在微米硅负极和高压三元正极材料NMC811上形成富含LiF的界面层。该类电解液设计使得大颗粒硅材料（325 mesh）在商业化面容量（>6 mAh cm-2）条件下经过400圈循环后实现大于87%的容量保持率，其平均库伦效率大于99.9%，高能量密度的Si||NMC811软包电池经过200圈循环后实现了341 Wh kg-1、840 Wh l-1的能量密度。另外，该电解液设计可同时有效抑制其他微米级合金负极材料比如铝（Al）、锡（Sn）、铋（Bi）的体积膨胀，使得这些廉价的高能材料可以用在下一代锂离子电池中。
图1：微米合金负极-电解液界面设计策略。
图2：具有不对称DME阳离子的离子液体电解液设计及溶剂化研究。
图3：离子液体电解液和商业化电解液性质比较及其在微米硅负极上SEI成分分析。
图4：微米硅负极电化学性能及循环后负极形貌，电极厚度表征。
图5：微米硅负极匹配三元正极（NMC811）及硫化聚丙烯腈正极（SPAN）材料的全电池电化学性能。
图6：电解液的商业化考量，从离子液体到分子溶剂的不对称溶剂化设计及其在Si||NMC811全电池的电化学性能。
作者提出了一种基于不对称溶剂的电解液设计策略，用于在微米硅负极上实现富含LiF的无机界面，从而可以有效抑制微米硅颗粒的粉碎化和电解液的进一步分解，实现了微米硅负极的高效、稳定长循环。这一不对称溶剂的设计原理为开发新型高性能微米硅负极电解液开辟了一个新的方向。（来源：科学网）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41560-024-01619-2
