吴晓东团队许晶晶等:宽温度高电压锂金属电池安全电解液

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高电压锂金属电池被视为下一代极具前景的高能量密度储能器件之一，并且不断朝着电动汽车、太空探索、海底作业和大规模电网储能等应用领域发展。这意味着储能电池需要兼顾高能量密度，高安全性和宽的应用温度范围。但是目前广泛使用的商业碳酸酯类电解液很难满足上述需求：一方面，商业电解液中碳酸酯类溶剂较高的熔点和低的电化学窗口会大大限制电池在低温和高电压条件下的性能；另一方面，锂金属表面不稳定的固体电解质中间相(SEI)会导致锂枝晶的生长，极易刺穿隔膜，导致电池发生内短路从而引起热失控，同时碳酸酯类有机溶剂极易参与燃烧反应，从而造成严重的安全隐患。
　　为了解决上述问题，中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所吴晓东团队许晶晶项目研究员和王志诚博士生在不可燃电解液和安全锂金属电池方面取得一系列研究进展。他们从调控锂离子溶剂化结构的角度出发，采用高浓度锂盐搭配离子液体溶剂和低粘度有机溶剂构建了双阴离子型阻燃电解液，并成功应用于高电压锂金属电池体系(Energy Storage Materials, 2020, 30, 228-237)。为了改善电解液的润湿性和锂金属电池倍率性能，研究团队进一步采用非极性氢氟醚稀释剂的策略，在不改变高浓度电解液溶剂化结构的前提下有效降低电解液黏度和成本，构建了本质不燃局部高浓度离子液体基电解液，成功提高电解液离子电导率和对隔膜的浸润性，有效提高锂金属电池倍率和循环稳定性(Advanced Energy Materials, 2021, 11, 2003752)。

        图1. 不同电解液溶剂化结构和锂金属界面化学行为流程图及燃烧性测试

　　近期，为进一步降低成本以便更好地满足应用需求，研究团队将不燃的低粘度低熔点氢氟醚惰性稀释剂与低熔点离子液体溶剂混合，同时创新性地采用超低浓度(0.1 mol/L)的双氟草酸硼酸锂LiDFOB作为锂盐，成功制备出了一种可应用于宽温度范围和高电压锂金属电池体系的新型电解液。该类电解液具有极宽的液态温度范围(-100~ +70 ℃)，超高的电化学窗口(~ 5.75 V)和完全不燃等特性。同时由于其特殊的锂离子溶剂化结构和离子液体有机阳离子的静电屏蔽作用，有利于形成稳定的SEI层，从而有效抑制锂金属负极锂枝晶的生长，大大提高锂金属电池库伦效率和循环性能。采用此类超低浓度电解液可以有效降低成本，同时组装的NCM622/Li锂金属电池在4.5 V高电压和-60~ +70 ℃超宽温度范围都展现出优秀的电化学性能。
　　相关工作以 Advanced Ultralow-Concentration Electrolyte for Wide-Temperature and High-Voltage Li-Metal Batteries 为题发表于Advanced Functional Materials 。该工作得到了国家自然科学基金面上项目等资助，同时感谢苏州纳米所纳米真空互联实验站(Nano-X)提供的测试帮助。
　　论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202112598


      文章来源：苏州纳米所
      吴晓东,苏州纳米所研究员。2004年6月年中科院物理研究所获理学博士学位。2004年6月加入荷兰DSM公司，担任Solutech事业部项目经理，从事超高分子量聚乙烯微孔薄膜的应用开发和市场技术推广；2006年2月，回国加盟苏州星恒电源有限公司，历任技术部经理、副总经理（兼总工程师）、汽车电池事业部总经理，从事动力锂离子电池产业化工作；2010年11月加盟诺莱特科技（中国）有限公司，任技术总监，从事一次和二次锂电池用电解液的开发工作；2011年6月，加入中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，任研究员、课题组长。发表论文8篇，平均引用次数25次；申请专利30多项。目前课题组主要从事储能材料与器件的研究。