双功能氟化碳电极添加剂降低水系电解液盐依赖 | 进展

中科院物理所 · 公众号 · 物理 · 2024-11-14 17:29

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水系电池由于具备本质安全、低成本、环保的特点，有望在未来大规模储能中实现应用，但是水系电池固有的瓶颈——负极界面的析氢问题严重限制了水系电池的寿命。电解质界面中间相（SEI）可以从动力学上抑制析氢反应，而传统的阴离子还原形成SEI高度依赖于高浓度的有机含氟盐(LiTFSI)，受制于电解液传质以及负极负电荷排斥，导致依赖盐阴离子构建的SEI形成效率低且消耗时间长，并会显著增加电池极化。摆脱SEI构建对电解液的高度依赖，提高SEI形成效率，并降低SEI带来的电池极化，对延长水系电池的使用寿命方面起着至关重要的作用。

图 BFEA添加剂形成SEI的机制及SEI对副反应的抑制作用。

基于此，近日，来自中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心索鎏敏研究员团队博士生刘秉航和马锦涛提出了一种氟化碳双功能电极添加剂（BFEA）。氟化碳作为电极添加剂不受电解液传质以及负极电荷排斥的影响，同时具有高达2.4 V vs Li/Li⁺ 的还原电位，保证了其优先还原以及极高的SEI形成效率。氟化碳还原形成LiF以及碳，前者作为非盐依赖构建的SEI主要成分可以有效抑制水系电池析氢，延寿水系电池，10m LiTFSI体系全电池下析氢速率从11.24降低到4.35 nmol/min，0.5Ah电池300圈容量保持率从53%提高到78.2%；碳副产物改善了电极导电网络，进而降低了整体极化，0.5Ah电池300圈能量效率提高4%。该添加剂兼容性强，不依赖于电解液，可在无机水系电解液如LiCl溶液中实现LiF SEI的构建，摆脱对LiTFSI等大阴离子盐构建SEI保护的依赖，同时有利于降低电池极化，提高能量效率，预期可有效避免规模储能系统产热带来的安全风险和大幅降低散热系统成本。

该工作以“Bifunctional Fluorocarbon Electrode Additive Lowers the Salt Dependence of Aqueous Electrolytes”为题目，发表在Advanced Materials上，文章通讯作者：索鎏敏研究员，第一作者：刘秉航、马锦涛。该研究工作受到了中国科学院青年交叉团队，清洁能源实验室，北京清洁能源前沿研究中心，怀柔清洁能源材料测试诊断与研发平台以及溧阳长三角物理研究中心的大力支持。

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编辑：薄薄酒

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