南开陈军Angew：界面偶极作用实现高稳定的锂电池

顶刊收割机 · 公众号 · · 2024-12-03 08:18

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硫化聚丙烯腈（SPAN）被认为是长寿命锂金属电池中极具潜力的有机正极，然而在传统的醚基电解液中，SPAN中多个硫-硫（S-S）键的不可逆裂解和形成会导致活性S物种的损失，导致容量快速衰减和穿梭效应。

在此， 南开大学陈军团队 提出了一种基于二丙醚（PE）溶剂的新型电解液以应用于Li-SPAN电池。研究显示，由于其独特的链配位结构和与Li ⁺ 及活性物质间较弱的偶极相互作用，该电解液不仅具备较低的解离能垒和高锂离子迁移数，还能维持稳定的电解液-电极界面（EEI）。因此，采用该电解液的全电池展现出良好的循环性能、卓越的容量保持率以及优异的极端温度性能（-50°C至50°C）。

此外，在贫电解液（2.5 g Ah⁻¹）条件下，Ah级软包电池在75次循环后容量保持率达96.5%，初始比能量密度达150 Wh kg⁻¹（基于整个电池重量）。

图1. 溶剂结构设计与稳定机制

总之，该工作提出了一种单齿醚类PE溶剂，用于在实际条件下实现稳定且适用于宽温度范围的Li-SPAN电池。作者证明了该溶剂的-CH ₂ -O-CH ₂ -结构能够最小化与活性S物种的偶极相互作用，从而实现S-S键的可逆裂解与重建，并进一步促进稳定电解液-电极界面（EEI）的形成。由于其链配位结构，基于F-PE电解液的电池展现出优异的锂离子传输动力学、高库仑效率（CE）和无枝晶的锂沉积形貌，同时适用于广泛的温度范围。

基于此，在Li（50 μm）||SPAN（约3 mAh cm⁻²）全电池可实现优异的循环性能（175次循环后容量保持率为97.3%）。此外，该全电池在宽温度范围内也表现出优异的循环性能，在120次循环后容量保持率超过90%。在苛刻的负/正极容量比（N/P比为1.67）和贫电解液（2.5 g Ah⁻¹）条件下，Ah级软包电池实现了创纪录的75次循环寿命，其初始比能量密度为150 Wh kg⁻¹（基于整个电池重量）。

因此，该工作揭示了极性溶剂与活性物质之间的界面偶极相互作用是循环稳定性的关键因素，并为电解液设计以实现长寿命锂有机电池提供了一种替代途径。