研究概述

利用高浓度电解液（HCEs）的概念已被广泛纳入电解液设计，因为与稀释的电解液相比，它们具有增强的锂金属钝化和氧化稳定性。然而，高粘度和次优润湿性等问题影响了其商业化应用。基于此，加州大学圣地亚哥分校陈政教授和孟颖教授（共同通讯作者）等人为电池中的HCE系统引入了一种策略，该策略与锂（Li）和硫化聚丙烯腈（SPAN）兼容，同时确保了广泛的工作温度窗口。采用超低粘度溶剂二甲醚（Me2O），提高了电解液的离子电导率，该溶剂在25 ℃时通常处于气相状态，蒸汽压为593 kPa。

鉴于Me2O具有较强的Li+溶剂化能力，假定锂盐的存在可以显著提高Me2O的沸点，这种升高归因于Li+离子和Me2O分子之间的离子偶极相互作用的稳定作用。这些相互作用导致溶剂的挥发性降低，从而提高其沸点，作者把这种现象称为“库仑凝聚”。实验证实，Me2O可以在常压下与二氟磺酰亚胺锂（LiFSI）盐缩合。这种LiFSI-Me2O组合可以形成常压稳定的液化气电解液。饱和LiFSI在Me2O中的浓度（Sat. LiFSI-Me2O）在-60 ℃~60℃范围内保持稳定，并且对比4 M LiFSI-DME（4 M LiFSI-DME）中的热稳定性有了提高，后者的LiFSI：醚摩尔比为1: 2.4。此外，Sat. LiFSI-Me2O电解液在20 ℃时具有相对的粘度和离子电导率（> 5.5 mS cm-1），对比4 M LiFSI-DME，在零度以下的温度下粘度大大降低，离子电导率提高。得益于醚的良好还原稳定性和盐衍生SEI的形成，Li金属可以在1000次循环中实现99.2%的平均CE的稳定循环。当与SPAN电极配对时，多余的Li/SPAN电池在200次循环中表现出超过92%的容量保持率，主要是由于减少了多硫化物的溶解和盐衍生的SEI/CEIs的形成。使用Sat. LiFSI-Me2O电解液的电池在有限的锂储层下也能承受高达6 mA cm-2的高电荷电流密度。本研究表明液化气电解液中的“库仑凝聚”可以形成稳定、高导电性的醚基溶液，从而提高锂金属电池的性能。

相关工作以《Coulombic Condensation of Liquefied Gas Electrolytes for Li Metal Batteries at Ambient Pressure》为题发表在最新一期《Angewandte Chemie International Edition》上。

图文解读

图1.凝聚电解液的设计

图2.不同电解液的物理和电化学性质

图3.溶剂化结构和MD模拟结果

图4. Li/Cu电池的电化学循环性能

图5. Li/SPAN电池的电化学性能

图6. Li/SPAN电池在第60次循环时Li和SPAN的界面分析

文献信息

Coulombic Condensation of Liquefied Gas Electrolytes for Li Metal Batteries at Ambient Pressure.Angew. Chem. Int. Ed.,2024, https://doi.org/10.1002/anie.202420411.