推進可充電電池技術(shù)的發(fā)展是實現(xiàn)碳中和戰(zhàn)略目標的關(guān)鍵路線之一，鋰金屬電池具有較高理論比容量(3860 mAh g–1)和較低的電化學(xué)勢(–3.04 V vs. NHE）。然而，在極端環(huán)境中，該類電池存在嚴重的鋰枝晶生長和較差的界面不穩(wěn)定等問題。溫度過低時，電解質(zhì)的粘度增加會減緩離子傳輸速率并降低電池內(nèi)部的反應(yīng)動力學(xué)。當溫度過高時，電極-電解質(zhì)界面會發(fā)生劇烈的副反應(yīng)，降低庫侖效率并加速容量衰減。因此，尋找一種既能穩(wěn)定電極界面又能在寬溫度范圍內(nèi)最大化LIB/LMB性能的電解質(zhì)系統(tǒng)是一個重要的挑戰(zhàn)。 近日，合肥工業(yè)大學(xué)項宏發(fā)教授和黃志梅副教授提出并合成了一種新型的單氟化線性醚雙（2-氟乙氧基）甲烷（BFME）作為鋰離子電池和鋰金屬電池的電解質(zhì)溶劑。該團隊通過理論計算和實驗驗證了其在-60至60℃寬溫度范圍內(nèi)的具有高的離子導(dǎo)電性和高的鋰離子去溶劑化能力。此外，該電解質(zhì)形成了以陰離子主導(dǎo)的溶劑化結(jié)構(gòu)，可在電極表面形成了富含LiF的界面膜，顯著提高了石墨負極的初始庫侖效率（94.9%）和鋰沉積/剝離效率（99.8%）。長循環(huán)的結(jié)果表明，采用BFME電解質(zhì)的鋰離子軟包電池在-20～60oC的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和容量保持率，同時，組裝的鋰金屬軟包電池也能夠穩(wěn)定循環(huán)65圈，保持99%的容量保持率，驗證了該類單氟化氟代醚電解質(zhì)在提高電池界面穩(wěn)定性和電池反應(yīng)動力學(xué)方面的應(yīng)用潛力。
通過分子的結(jié)構(gòu)特征和合成路線設(shè)計，成功得到了具有強溶解能力的單氟化線性醚—BFME。該電解質(zhì)的-OCH2O-結(jié)構(gòu)和在β-C位置上的氟取代，使BFME電解質(zhì)對Li+具有較適中的親和力，一方面可提高電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率，同時具有較低的離子去溶劑化能壘。 采用分子動力學(xué)(MD)模擬和波譜技術(shù)表征了BFME在-20℃下的代表性溶劑化結(jié)構(gòu)，揭示了BFME電解質(zhì)具有更多陰離子參與的溶劑化結(jié)構(gòu)，可顯著降低離子的去溶劑化能壘，促進生成富含LiF成分的SEI膜。 最終，Gr||LFP軟包電池在-40°C至60°C的溫度范圍內(nèi)展現(xiàn)出極長的循環(huán)壽命。同時，容量為3 Ah的Li||LFP軟包電池表現(xiàn)出高界面穩(wěn)定性和優(yōu)異的循環(huán)性能。因此，該研究展示了在平衡氧化穩(wěn)定性、離子導(dǎo)電性和脫溶能力方面，氟化醚結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要性，并基于此提供了一種實現(xiàn)高性能鋰金屬電池和鋰離子電池的電解質(zhì)設(shè)計策略。 論文信息 Molecular Design of Mono-Fluorinated Ether-Based Electrolyte for All-Climate Lithium-Ion Batteries and Lithium-Metal Batteries Yejuan Xue, Yueda Wang, Heng Zhang, Weilong Kong, Yuxin Zhou, Bo Kang, Prof. Zhimei Huang, Prof. Hongfa Xiang Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202414201
