電解質(zhì)作為連接正極和負(fù)極的關(guān)鍵部件,對(duì)電池性能有著重要的影響。目前,大多數(shù)二次電池主要采用液態(tài)有機(jī)電解液(LOE),其中添加劑鹽和溶劑對(duì)金屬離子在負(fù)極表面的電沉積/剝離行為有重要影響。在沉積過程中,枝晶的不可控生長(zhǎng)是一個(gè)不可避免的難題,嚴(yán)重制約著電池的安全性和穩(wěn)定性。 為了解決枝晶生長(zhǎng)問題,研究者們提出了調(diào)控鋰離子溶劑化結(jié)構(gòu)、構(gòu)建鋰離子專屬傳輸通道等多種抑制策略,然而,上述策略基本集中于對(duì)單一鋰離子遷移行為的調(diào)控。 用于描述枝晶生長(zhǎng)模型的桑德公式指出:枝晶的產(chǎn)生時(shí)間受到體系內(nèi)部多因素的綜合影響,其中,相較于陽離子(上述公式以鋰系電池為例)的遷移速率,陰離子的遷移速率實(shí)際上對(duì)于枝晶的產(chǎn)生具有更重大的影響。因此,傳統(tǒng)的對(duì)單一鋰離子遷移調(diào)控的策略難以最有效地達(dá)到抑制枝晶產(chǎn)生的目的。
近日,南京理工大學(xué)的付永勝&朱俊武教授及其團(tuán)隊(duì)基于上述理論,提出了一種新型枝晶抑制策略:通過引入一種雙向離子動(dòng)力學(xué)調(diào)節(jié)器,通過同時(shí)降低陰離子(TFSI-)和提高陽離子(Li+)的遷移從而更有效地延長(zhǎng)枝晶產(chǎn)生的理論時(shí)間。這種新型雙向離子動(dòng)力學(xué)調(diào)節(jié)劑能夠自發(fā)與TFSI-陰離子形成空間八面體絡(luò)合過渡態(tài)產(chǎn)物,有效減緩陰離子遷移,同時(shí)通過改變Li+溶劑化結(jié)構(gòu)以加快鋰離子的脫溶劑化和擴(kuò)散行為,最終實(shí)現(xiàn)對(duì) 值得注意的是,在改進(jìn)電解質(zhì)的沉積環(huán)境中,鋰離子的沉積層組分也發(fā)生了有趣的轉(zhuǎn)變,由傳統(tǒng)的LiF轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)i2O為主的新型沉積層,且優(yōu)勢(shì)沉積晶面由(110)轉(zhuǎn)變?yōu)椋?00)晶面,這對(duì)于后續(xù)研究者尋找與挑選更優(yōu)的鋰沉積模式具有一定參考意義。 通過對(duì)經(jīng)典公式的推導(dǎo)及應(yīng)用,從理論上計(jì)算得出該新型電解質(zhì)在完全理想的條件下能夠?qū)⒅Мa(chǎn)生時(shí)間延長(zhǎng)25倍以上。在實(shí)際測(cè)試中,改性電解質(zhì)組裝的鋰鋰對(duì)稱電池在1 mA cm-2, 1 mAh cm-2下持續(xù)循環(huán)超過2000 h,Li-Cu電池的庫(kù)倫效率能夠達(dá)到99.4%。最終組裝的Ah級(jí)Li-S軟包電池也展示出卓越的穩(wěn)定性與安全性。該項(xiàng)工作證實(shí)了陰/陽離子的雙向遷移調(diào)節(jié)對(duì)于實(shí)現(xiàn)抑制鋰枝晶產(chǎn)生的重要意義。 論文信息 A Bidirectional Ion Kinetic Regulator Suppressing Lithium Dendrites in Advanced Lithium-Sulfur Batteries Jun Jiang, Yanwen Ding, Shujun Liu, Zhijie Qi, Tong Guo, Zhihua Wang, Jingwen Sun, He Zhu, Xiaoping Ouyang, Xin Wang, Junwu Zhu, Yongsheng Fu Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202504398的有效延長(zhǎng)。