成果簡介

鋰金屬電池具有比鋰離子電池更高的能量密度，因而受到越來越多的關注。許多研究人員認為鋰離子電池中使用的典型液體電解質必須用固態電解質代替來解決鋰枝晶問題。

而作者發現具有雙鹽LiDFOB / LiBF4液體電解質的無負極鋰金屬電池在90次充電/放電循環后依然具有80%的容量。即使在50次循環后，液體電解質電池中鋰表面也沒有鋰枝晶。

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對于無鋰金屬電池，電池負極用裸銅代替，正極用NMC111。由于電池中沒有過量的鋰，因此體積非常小（圖1a）并且能量密度顯著提高。

作者在氟代碳酸亞乙酯（FEC）中選擇單鹽電解質：碳酸二乙酯（DEC）（體積比1：2）溶劑混合物作為對照。這些電池在40℃下在3.6和4.5V之間循環。從上圖中可以顯著發現單鹽對照電池在15個循環中容量降至80％以下。具有1M LiDFOB和0.2M LiBF4的雙鹽混合物的電池在90次充電/放電循環后依然具有80%的容量。

上圖顯示了在不同壓力下單鹽1M LiPF6（橙色方塊）和雙鹽0.6M LiDFOB + 0.6M LiBF4（藍色圓圈）電解質的容量保持率與循環數的關系。在低壓（~75 kPa）下電池具有非常差的容量保持率。在完全充電狀態（4.5V）下拍攝的鋰形態的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像發現雙鹽LiDFOB / LiBF4電解質即使在低壓下也無鋰枝晶。即使在50個循環后，表面依然平滑。

由于是通過僅改變電解質中使用的鹽來大大改善鋰形態，因此作者研究了SEI膜組成的差異。上圖為三種不同電解質的X射線光電子能譜（XPS）的表面分析結果。

分析發現增加的有機組分可有助于改善單鹽LiDFOB電池中的鋰形態和循環效率。在雙鹽LiDFOB + LiBF4電解質中形成的SEI膜具有大量LiF。因此SEI膜中的大量LiF有利于鋰均勻沉積。

上圖顯示了在三種不同電解質循環過程中電解質組成的NMR。分析發現在第一次充電循環期間可能會消耗一些鹽以形成初始SEI膜，其表面具有硼（對于LiDFOB和LiBF4電解質）或磷（對于LiPF6電解質）。

在使用單鹽或雙鹽電解質的電池循環期間，LiDFOB和LiBF4都被消耗（圖c，e）。以純1M LiDFOB電解質開始的電池的NMR測量顯示，當消耗LiDFOB時，形成少量的LiBF4。

全文總結

總之，作者發現使用不同的鋰鹽LiPF6，LiBF4和LiDFOB的電解液對電池的性能影響不同。具有雙鹽LiDFOB + LiBF4電解質的電池具有最佳性能。本文中電池90個循環之后依然保持80％的容量，同時雙鹽電解質可以有效地抑制鋰枝晶生長。這種電解液很有可能促進全液體電解質的巨大發展。

文獻信息

Long cycle life and dendrite-free lithium morphology in anode-free lithium pouch cells enabled by a dual-salt liquid electrolyte (Nature Energy, 2019, DOI: 10.1038/s41560-019-0428-9)

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41560-019-0428-9