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?北航李彬ACS Energy Letters:可調控相變電解液實現穩定的鋰金屬電池!

本文提出了一種相變電解液(PCE),其LSS可以通過改變電解質的物理狀態進行調節。

?北航李彬ACS Energy Letters:可調控相變電解液實現穩定的鋰金屬電池!
Li+的溶劑化結構(LSS)被認為是決定鋰金屬電池電化學性能的決定性因素。
北京航空航天大學李彬等提出了一種相變電解液(PCE),其LSS可以通過改變電解質的物理狀態進行調節。
?北航李彬ACS Energy Letters:可調控相變電解液實現穩定的鋰金屬電池!
圖1. 制備的PCE和相應的溶劑化結構示意圖
具體而言,作者篩選了一系列熔點相對較高(>10 °C)的電解液溶劑,其中十二烷二酸二甲酯(DDCA)溶劑型電解液(PCE)表現出優越的綜合性能,包括高氧化穩定性、與鋰金屬的兼容性和離子傳導性。所獲得的PCE(1.3 M LiTFSI-DDCA:DME = 3:1 vol %)在22℃的熔點處具有相變特征,溫度高于或低于該溫度會導致物理狀態的可逆變化(液體?固體)。
更重要的是,利用拉曼光譜和分子動力學(MD)模擬,作者發現LSS也可以根據PCE的物理狀態在溶劑-分離離子對(SSIP)和緊密接觸離子對(CIP)之間轉化。LSS的隨溫度變化有助于調節Li+-的傳導機制,即使在固體狀態下也能獲得9.6×10-4 S cm-1的相對高的離子電導率。
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圖2. PCE的表征和評估
受益于PCE的高轉移數(0.58)和負極側的有機-無機混合SEI,在液態PCE中觀察到了無枝晶的沉積。此外,具有CIP結構的固態PCE減少了自由溶劑分子,提供了一個天然的物理屏障來抑制過渡金屬離子的穿梭。
最后,結合PCE的相變性質及其可轉化的LSS,作者提出了一個精心設計的循環協議,并在Li-LiMn2O4(LMO)體系中進行測試,結果錳離子在LMO正極中長期溶解的問題得到了緩解,并獲得了穩定的LMO電池性能。
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圖3. Li-LMO電池的電化學性能
Solvation Structure-Tunable Phase Change Electrolyte for Stable Lithium Metal Batteries. ACS Energy Letters 2022. DOI: 10.1021/acsenergylett.2c01919

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