清华刘凯AFM：调节阴离子亲核性实现富阴离子溶剂化结构

顶刊收割机 · 公众号 · · 2024-11-24 08:18

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传统的锂盐通常遵循提高阳离子-阴离子解离度的设计原则以获得高电解质电导率。该原则促进了LiTFSI的产生，其中对称的吸电子三氟甲磺酰基显着使氮原子周围的负电荷密度离域，从而削弱了Li ⁺ 与阴离子之间的静电相互作用。

在此， 清华大学刘凯团队 设计了一种新型锂盐——LiMTFSI。具体而言，作者在锂盐的分子结构中引入供电子的─CH ₃ 替换传统的LiTFSI中的吸电子─CF ₃ ，从而调节阴离子的亲核性并增强Li ⁺ 与阴离子之间的相互作用。

该种结构上的改变导致Li ⁺ 的溶剂化壳层中阴离子的比例增加，有效排斥了溶剂分子，减缓了溶剂分子在锂负极上的分解，同时促进了富含无机锂盐如Li ₂ S和Li ₃ N的SEI的形成。

该种富含阴离子的SEI具有更高的化学稳定性和机械强度，降低了Li ⁺ 的扩散能垒，从而提高了锂金属负极的库仑效率，并使得500 mAh规模的Li|| NCM523软包电池能够稳定运行超过150个周期。

图1. 基于LiTFSI的LiMTFSI设计原则

总之，该工作设计了一种新型锂盐。其中，MTFSI ⁻ 阴离子是通过将TFSI ⁻ 中的一个电子吸引的─CF ₃ 基团替换为电子供体─CH ₃ 基团而特别设计的。该种修改适当地增强了Li ⁺ 与阴离子之间的相互作用，同时有助于排斥碳酸酯分子在Li ⁺ 溶剂化鞘中的还原分解。

基于此，形成了富含无机物的SEI进而抑制了锂枝晶的生长，并提高了Li沉积的库仑效率。此外，基于LiMTFSI的电解液还实现了优异的电池性能。因此，该项工作为设计先进的锂盐提供了新的视角。

图2. 电池性能

Tuning the Nucleophilicity of Anion in Lithium Salt to Enable an Anion-Rich Solvation Sheath for Stable Lithium Metal Batteries, Advanced Functional Materials 2024 DOI: 10.1002/adfm.202416800

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