氟代电解液添加剂在锂金属电池中的应用

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锂金属是最具有吸引力的电化学储能阳极材料之一。然而,在电化学沉积过程中锂枝晶的生长导致库仑效率低和安全性问题,长期以来阻碍了可充电锂金属电池的应用。因此,通过在电解液中加入添加剂来抑制锂枝晶的生长,稳定锂金属负极是一种行之有效的策略。本论文主要围绕电解液添加剂对锂金属负极的保护作用展开研究,并通过一系列表征手段对其中存在的机理进行了探究。利用Li NixMnyCozO2(NCM)材料作为阴极,对含添加剂的电解液的实用性进行了验证。主要包括以下内容:(1)三氟甲烷磺酸1,1,1,3,3,3-六氟异丙酯(HFPTf)作为碳酸酯类电解液添加剂,通过形成稳定的固体电解液界面层(SEI),使锂负极得以稳定。该SEI富含能够降低Li+扩散能垒的Li F和分布在上层的高导电Li2SOx(x=0,3,4)。这种特殊结构的SEI可以快速传导Li+,避免了锂枝晶的出现。HFPTf添加剂还能改变Li+溶剂化的一级鞘层结构,使Li+更容易脱溶剂化。最终研究结果显示,当测试条件为0.5 m A cm-2(沉积容量是0.25 m Ah cm-2)时,含1 wt%HFPTf电解液的Li‖Li电池实现了超过1000 h的稳定循环。此外,在阴极表面形成了薄而均匀的阴极电解液界面层(CEI),抑制了NCM811中的金属离子溶出。结果使得Li‖NCM811全电池在100 m A g-1下循环150次后获得70%的容量保持。(2)七氟丁酰咪唑(HFBMZ)作为碳酸酯类电解液添加剂,实现了稳定锂金属负极的作用。首先,HFBMZ作为添加剂能够清除电解液中微量的水和HF,能够起到减少SEI表面的副产物和抑制NCM622的金属离子溶出的作用。其次,HFBMZ作为添加剂能够使得电解液-隔膜界面具有很好的润湿性,有利于增加Li+的流量。HFBMZ在锂金属表面被还原生成稳定的SEI和均匀的CEI,来稳定电池的循环。实验结果证明,在含有1 wt%HFBMZ的电解液中,在0.5 m A cm-2的测试条件下,Li‖Li电池实现了约1200 h的稳定循环(负载容量:0.25 m Ah cm-2)。Li‖NCM622全电池在100 m A g-1下循环150次后获得92%的容量保持。
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