北理工課題組在高安全酰胺基電解液設計方面取得重要研究進展
發布日期：2022-05-16 供稿：前沿交叉科學研究院
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近日，北京理工大學前沿交叉院黃佳琦教授課題組在高安全不燃酰胺基電解液設計方面取得重要研究進展。該研究成果以《Regulating Solvation Structure in Nonflammable Amide-Based Electrolytes for Long-Cycling and Safe Lithium Metal Batteries》為題在線發表在國際期刊《Advanced Energy Materials》（影響因子29.368）。本文的通訊作者為北京理工大學前沿交叉院黃佳琦教授，第一作者為北京理工大學材料學院/前沿交叉院博士研究生張乾魁。
隨著電動汽車、便攜式電子設備和大規模電網需求的不斷增長，人們對高能量密度的二次電池提出了更高的要求。其中，金屬鋰電池由于其高能量密度（>350 Wh kg-1）而廣受關注。隨著研究的推進，金屬鋰電池循環壽命逐漸提升。但在應用方面，仍需考慮金屬鋰電池的安全問題。金屬鋰電池的安全問題主要是由于使用了高度易燃的有機溶劑引起的。為了降低有機溶劑的可燃性，不燃溶劑的開發引發了廣泛關注。雖然不燃溶劑能夠降低著火風險，但由于不燃溶劑與金屬鋰之間具有高的反應活性，這會降低金屬鋰電池的循環穩定性。因此，對金屬鋰電池而言，不燃溶劑的開發需要在增強鋰沉積均勻性的基礎上，并增強電解液的熱穩定性和不燃性，從而兼顧金屬鋰電池的循環穩定性和安全性。
黃佳琦課題組提出通過調控二甲基乙酰胺(DMAC)基電解液的溶劑化結構，以實現金屬鋰電池循環穩定性和電解液不燃性之間的兼容。該研究工作使用不可燃溶劑DMAC構建了不可燃局部高濃度電解液(LHCE)。在LHCE-DMAC電解液中，大量的聚集體(AGG)有利于形成陰離子誘導的固體電解液界面相(SEI)，以規避DMAC與金屬鋰之間的寄生反應，提高了鋰沉積的均勻性，這保證了實用化條件下金屬鋰電池循環穩定性與電解液的不燃性之間的兼容。
DMAC溶劑不燃的主要原因是它能夠捕獲電解液中的氫自由基和氫氧自由基，阻斷了燃燒的鏈式反應。但是在低濃度下，DMAC與金屬鋰之間的界面相容性較差。為了進一步提升DMAC與金屬鋰的界面相容性，我們設計了LHCE-DMAC來增強金屬鋰的界面穩定性。在LHCE-DMAC中，金屬鋰負極界面穩定性提升的原因是本體電解液中含有更多的AGG的溶劑化結構，這有利于陰離子衍生的SEI的生成。
圖1 （a）不同電解質的阻燃測試，(b) 不同電解液的熱重測試，（c）LHCE-DMC和LHCE-DMAC在不同溫度下的軟包電池紅外圖像，(d)針刺過程中相應的溫度-時間曲線。
LHCE-DMAC的自熄滅時間為0 s g?1，這說明LHCE-DMAC是不燃的（圖1）。DSC測試表明LHCE-DMC在130℃出現放熱峰(114.6 J g?1)，而LHCE-DMAC在260℃出現放熱峰(283.7 J g?1)，這說明LHCE-DMAC具有高的熱穩定性。紅外圖像顯示，LHCE-DMAC電池的最高溫度可達47.1oC，遠低于LHCE-DMC電池的溫度(65.3 oC)。
通過調控LHCE-DMAC電解液中的溶劑化結構，實現了金屬鋰電池循環穩定性與電解液阻燃性之間的兼容。DMAC溶劑是不可燃的，LHCE-DMAC也保持高度的不可燃和熱穩定性。在LHCE-DMAC中，大量的AGG結構生成并有利于富含LiF的SEI的形成，以規避DMAC溶劑與金屬鋰之間的寄生性反應，并提高鋰沉積的均勻性。因此，在LHCE-DMAC中，Li | Cu電池具有高于99.2%的庫倫效率，并確保了Li | NCM523電池在實際條件下的循環穩定性與電解液的不可燃性之間的兼容。這項工作為推廣通過調控不燃電解液中的溶劑化結構，開發具有長循環和高安全性的實用金屬鋰電池開辟了一條新的途徑。
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/aenm.202200139
附作者介紹：
黃佳琦，北京理工大學前沿交叉科學研究院教授，博士生導師，九三學社社員。主要開展能源界面化學研究。發表60余篇為ESI高被引論文，h因子89。擔任中國顆粒學會青年理事會理事，J. Energy Chem.、InfoMat編委，Chin. Chem. Lett.、Green Energy Environ.、Energy Mater. Adv.青年編委。曾獲評2016年中國化工學會侯德榜化工科技青年獎，2018年中國顆粒學會青年顆粒學獎，2018年國家級人才，2020年北京市杰出青年科學基金等；2018-2021年連續入選科睿唯安全球高被引科學家。
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