電解液研究的最新進展大大提高了鋰金屬電池(LMB)的循環壽命,但通常低于中等面積容量。因此,當前的設計原則壓倒性地強調降低電解液對鋰的反應性。在此,美國加州大學圣地亞哥分校劉平教授等人發現高面積容量(>6 mAh cm-2)Li||硫化聚丙烯酸酯(SPAN)電池在與四種局部高濃度電解液(LHCEs)配對時,主要是短路事件導致電池失效,這與電解液傳輸性能有關。由于醚對鋰金屬負極具有優異的穩定性,因此作者以不同的醚作為主要溶劑并以BTFE作為稀釋劑制備了四種LHCE(LDBE、LDiPE、LDEE和LDME)以考察在高面積容量循環條件下體輸運特性對電池性能的影響,四種醚分別是二丁醚(DBE)、二異丙醚(DiPE)、二乙醚(DEE)和二甲氧基乙烷(DME)。結果表明,這些循環條件通常會超過Sand容量,并在這些原本高度穩定的高庫倫效率電解液中引發枝晶鋰生長。短路發生在具有高庫倫效率LHCE的電池中,除了LDME。圖1. 高面積容量Li||SPAN電池在不同電解液中的性能因此,Li||SPAN電池的壽命與電解液傳輸特性相關,包括離子電導率、Sand時間和容量。作者對循環鋰形態的進一步研究揭示了顯著的宏觀均勻性差異,然后通過圖像處理技術對其進行量化。在短路的LDEE電池中循環的鋰上發現了更廣泛的鋰晶粒尺寸分布和鋰枝晶的空間聚集,而在LDME電池中不存在。利用導電性更高的LDME電解液的優勢,作者設計并組裝了一個2 Ah Li||SPAN軟包電池,它在電池水平上提供了>260 Wh kg-1的能量密度且可循環超過70次。因此,作者提倡進一步開發高離子電導率的LHCEs以在高面積容量循環時減輕傳輸驅動的枝晶生長,同時鋰負極的宏觀均勻性對于減輕電池短路也至關重要。圖2. Li||SPAN軟包電池性能演示The Role of Ion Transport in the Failure of High Areal Capacity Li Metal Batteries, ACS Energy Letters 2022. DOI: 10.1021/acsenergylett.2c01114