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?陸俊/鄧永紅/吳天品Nature子刊:快充/寬溫鋰金屬電池用電解液

?陸俊/鄧永紅/吳天品Nature子刊:快充/寬溫鋰金屬電池用電解液
電解液的電化學穩定性窗口限制了非水系鋰金屬電池的能量。特別是,盡管包含氟化溶劑的電解液對高壓正極活性材料如LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM811)顯示出良好的氧化穩定性,但離子傳導性受到不利影響,從而影響了電池在高倍率和低溫下的循環性能。
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圖1. 單氟醚基電解液的物理化學和電化學特性
浙江大學陸俊、吳天品、南方科技大學鄧永紅等設計和合成了一種單氟醚作為具有Li-F和Li-O三叉配位化學的電解液溶劑,以解決上述問題。通過調整氟化程度,與二氟(-CHF2)和三氟(-CF3)相比,單氟取代基(-CH2F)可以最大限度地提高氟化電解液的離子導電性,同時保持高氧化穩定性。
研究顯示,單鹽和單溶劑單氟化物電解液能夠在寬溫條件下(-60℃至+60℃)實現高的體離子傳導率(8 mS cm-1,30℃),鋰金屬循環效率(99.75%,Li||Cu電池@0.5 mA cm-2和1 mAh cm-2),以及氧化穩定性(4.7 V vs. Li/Li+)。
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圖2. 常溫電化學儲能特性
因此,單氟化物電解液在實用條件下(面積容量:3.5 mAh cm-2,高截止電壓:4.4 V,低負極-正極(N/P)比率:2.8,貧電解液:2.4 g Ah-1),在50-μm薄的Li||高負載-NCM811全電池中實現了高倍率能力(17.5 mA cm-2)和穩定的低溫(-30℃)運行。
此外,在高放電倍率下,基于整個電池的重量,實用的小軟包電池還提供了高比能量(426 Wh kg-1),并且在30℃的200次循環后具有高容量保持率(>80%)。總體而言,單氟化物設計和三叉配位化學為開發極端條件下(包括高負載、高倍率和低溫)的工業高壓鋰電池的氟化電解液提供了可行的途徑。
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圖3. 低溫電化學儲能特性研究
A monofluoride ether-based electrolyte solution for fast-charging and low-temperature non-aqueous lithium metal batteries. Nature Communications 2023. DOI: 10.1038/s41467-023-36793-6

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