【摘要】 用于锂金属电池的液态电解质已被用于控制锂金属电池（LMB）中沉积锂的形态。

用于锂金属电池的液态电解质已被用于控制锂金属电池（LMB）中沉积锂的形态。然而，锂消耗（腐蚀）问题仍未解决，阻碍了实际锂金属电池的低浓度电解质设计，实际上锂金属电池需要电解质/容量（E/C）比为2 g Ah−1或者更低。本文中，韩国科学技术研究所Hee-Tak Kim 团队报道了报道了一种硼酸盐-吡喃基电解质来解决长期的锂消耗（腐蚀）问题。研究发现，硼酸盐-吡喃电解质将固体-电解质界面中的大颗粒LiF晶粒转化为细晶体或玻璃状LiF，通过最大限度地减少电解质分子渗透到固体-电解质相间来增强Li/电解质界面的被动性。硼酸盐-吡喃电解质、高镍层状氧化物正极（3.83 mAh cm−2）和锂片（20μm）组装的锂金属电池具备高初始能量密度（>400 Wh kg−1），并在1.92 g Ah−1的E/C比下循环400周，容量保持率为70%，在1.24 g Ah−1下进行350次循环，容量保持率为73%，在0.96 g Ah–1下循环200周，保持率为85%。相关研究成果以“Borate–pyran lean electrolyte-based Li-metal batteries with minimal Li corrosion”为题发表在Nature Energy上。

 

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锂金属电池中重复的Li电镀/剥离导致电极粗糙结构的演变，而电极的粗糙化伴随着固体-电解质界面（SEI）的反复坍塌和再生，耗尽液态电解质和Li，在锂金属电极表面留下不活跃的Li层，最终导致电池失效。锂金属负极的液态电解质工程在于产生SEI，形成均匀的锂沉积物，从而提高锂负极的可逆性。特别是最近报道的高浓度电解质（HCE）、局部高浓度电解质（LHCE）和含氟溶剂的电解质已被设计用于形成SEI，其中所需组分（如LiF、Li2O、Li2S和LiNxOy微晶或具有良好物理化学性质的有机材料）通过某些电解质种类的优先分解而均匀分布（例如LiFSI或氟化溶剂）。

 

尽管电解质可以通过调节沉积锂的形态来延长锂金属电池（LMB）的寿命，但电解质与锂反应的持续消耗（称为锂腐蚀）阻碍了其进一步发展。尽管最近研究方法已经部分解决了Li形态的不稳定性，但它们很难将锂的腐蚀降至最低。特别是，LMB（>2 g Ah−1）和锂离子电池（～1.3 g Ah–1）之间的电解质与容量（E/C）比存在较大差距，这表明需要使用过多的电解质来补偿锂金属电池的电解质消耗，从而降低了其高势能密度的优势。在这种情况下，以最小的锂消耗量来沉积致密锂被认为是一个关键的挑战。

 

在这项研究中，作者报道了一种硼酸盐-吡喃基电解质，可以解决长循环过程中锂消耗（锂腐蚀）的问题。这项工作中提出的电解质的关键特征是它将最初在SEI中形成的大颗粒LiF微晶重组为细晶体或玻璃状LiF。低温TEM分析结果表明，重组的SEI最大限度地减少了锂与液态电解质之间的直接接触，从而有效地减轻了锂的消耗；同时密集的Li沉积形态，抑制了Li消耗导致的高Li电镀/剥离效率（平均CE为99.85%）。通过LiF重组将Li消耗降至最低，减少了Li和电解质的损失，从而能够开发低浓度电解质锂金属电池。开发的这种电解质使具有高能量密度（>400 Wh kg−1）的锂金属电池能够在E/C比为1.92 g Ah−1时以70%的容量保持率循环400次，在1.24 g Ah–1时以73%的容量保持率循环350次，以及在0.96 g Ah-1时以85%的容量保持率循环200次，这超过了当前最先进的低浓度电解质锂金属电池的性能，证明了限制液态电解质中锂消耗的重要性。由BF3-THP介导的LiF的溶解和再沉淀为设计先进锂金属电池的SEI结构提供了一种有前景的方法。（文：李澍）

 

图1 具有最小Li消耗的低浓度电解质LMB的电解质设计原则

 

图2 老化后SEI结构变化的研究

 

图3 溶剂化结构和还原稳定性

 

图4 锂金属电极在液态电解质中的可逆性和消耗速度

 

图5 软包电池性能和失效分析

 

图6 LiF精细结构的研究

 

图7 LiF重组的热力学可行性

 

图8 BF 3-THP介导的LiF重组

 

本文来源：材料科学与工程。