研究表明，鋰金屬負極的不穩定性嚴重縮短了實用化的鋰金屬電池（LIBs）的使用壽命。其中，氟化固體電解質間相（SEI）是提高鋰金屬負極穩定性的一種很有前途的策略，并且氟化分子的合理設計是構建氟化SEI的關鍵。近段時間以來，崔屹老師，鮑哲南老師，成會明老師和周光敏老師等相繼發表了一系列關于氟化電解液問題，但一些問題還依然存在，尤其是在實用化的鋰硫電池中的應用時與多硫化物的副反應問題突出……在此，清華大學張強教授和北京理工大學張學強副研究員等人提出了一種氟化分子的設計原理，合理設計并合成了一種活化的氟烷基分子（AFA），首次使用2,2,3,3-四氟丁烷-1,4-二醇二硝酸鹽用于構建了氟化SEI。首先，氟烷基（-CF2CF2-）作為富F儲層生成LiF，然后通過在β位點上留下基團，明顯增強了C-F鍵的脫氟化作用，促進了LiF形成反應的快速動力學。實驗結果表明，在實際條件下的鋰硫（Li-S）電池中，AFA構建的氟化SEI循環183次是LiNO3形成的SEI的3倍。此外，一個360 Wh kg-1的Li-S軟包電池在AFA修飾的電解液中可循環25次。本研究論證了構建實用化鋰金屬電池氟化SEI的合理分子設計原理。相關論文以“Fluorinating the Solid Electrolyte Interphase by Rational Molecular Design for Practical Lithium Metal Batteries”為題發表在Angew. Chem. Int. Ed.。
背景介紹
氟化SEI中含有豐富的LiF成分，被認為是一種有望提高鋰金屬負極穩定性的SEI。氟化SEI有利于鋰離子在SEI中的均勻輸運，然后有利于鋰離子的均勻沉積/剝離。其中，氟化分子和鋰鹽，如FEC和LiFSI通常被用于構建氟化SEI。FEC通常被用作助溶劑或添加劑，而LiFSI被作為高濃度電解液（HCE）或局部高濃度電解液（LHCE）中不可或缺的成分。然而，由最先進的氟化分子和鋰鹽構建的氟化SEI不能使鋰金屬負極持久穩定，多硫化物（LiPS）可以與FEC等常規的氟化添加劑發生反應，導致氟化SEI很難形成和快速衰減。特別是在實際條件下，包括有限的鋰（<10 mAh cm-2）、低負/正容量比（N/P<3）和貧電解液（<3.0 g Ah-1）。此外，在新興的鋰硫（Li-S）電池系統中，利用FEC和LiFSI構建氟化SEI受到了正極中間體的高反應性的阻礙，且HCE和LHCE的高粘度限制了正極的動力學行為，使得構建氟化SEI的普遍性策略受到阻礙。因此，需要設計新的氟化分子來進一步提高氟化SEI的穩定性和構建氟化SEI的通用性。
