新型“全FSI”电解液助力4V高压金属锂电池

来源：纳米人

第一作者：薛伟江

通讯作者：Ju Li，Shao-horn Yang，Jeremiah A. Johnson

通讯单位：麻省理工学院 

研究亮点：

1. 受LiFSI盐结构启发，设计并获得了一种全新FSA（dimethylsulfamoyl fluoride）溶剂。

2. 由FSA和LiFSI、LiPF6组成的中低浓度电解液对金属锂负极的库伦效率可以快速达到99%以上。在有限金属锂过量的情况下，Li//NMC622电池循环200周后容量保持率达到89%。 

锂金属电池电解液

基于过渡金属氧化物正极和石墨负极的锂离子电池已经接近能量密度极限。若想进一步将全电池能量密度提升至400 Wh/kg以上，金属锂负极（石墨负极~10倍容量）几乎是唯一选择。一种可行的方案是金属锂匹配三元正极（如LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2, NMC622）。但是，高兼容性电解液的开发仍是巨大挑战之一。碳酸酯类电解液虽然具有很好的抗氧化性，但是对金属锂兼容性差，而对金属锂负极友好的传统醚类电解液的抗氧化性较差，无法匹配高电压（>4V）正极材料。对此，通常的解决办法是采用高浓盐电解液拓宽电压窗口，但是其高粘度和高成本，限制了应用场合。同时，高浓盐电解液对金属锂的库伦效率（CE）还不够高。因此，如何寻找到一种对金属锂和高电压正极同时具有良好兼容性的全新电解液体系迫在眉睫。 

成果简介

有鉴于此，美国麻省理工学院的李巨、邵阳和Jeremiah Johnson团队在LiFSI盐结构的启发下，联合开发了一种全新电解液体系，可以在中低盐浓度下获得金属锂的高库伦效率，同时对NMC622正极具有高兼容性。

图1. FSS电解液设计策略。 

要点1. 受LiFSI盐结构启发，设计并获得了一种全新FSA溶剂

LiFSI是一种对金属锂具有很好兼容性的盐，其化学结构中的含F官能团在与Li的反应过程中可以快速生成LiF保护Li表面，从而获得高CE。受LiFSI盐化学结构的启发，团队设计并找到了一种含有相同官能团的溶剂FSA。第一性原理DFT计算表明，相比传统的对金属锂具有高兼容性的FEC （fluoroethylene carbonate）溶剂，该FSA溶剂在与Li的反应过程中更容易形成LiF。 

要点2. 全新电解液具有非常好的金属锂兼容性

由2.5m LiFSI和0.2m LiPF6与FSA溶剂匹配形成的中低浓度“全FSI”电解液（FFS）不但克服了高浓电解液的缺点，还对金属锂具有很好的兼容性。采用“全FSI”电解液的Li//Cu半电池的初始库伦效率（ICE）达到了91%，并在10周内迅速达到99%。而相同盐浓度下的FEC基电解液（LFF）需要164周才能达到99%，活性锂损失量大大高于“全FSI”电解液。

图2. 不同电解液电化学性能。 

要点3. 全新电解液具有优异的高电压正极兼容性

“全FSI”电解液不但具有>4.5V的宽电化学窗口，相比商用碳酸脂类电解液（SE），采用全“FSI”电解液的Li//NMC622电池还具有更好的倍率性能。同时，在有限金属锂过量的情况下，采用商用电解液的Li//NMC622电池从70周开始由于锂耗尽容量快速衰减。而采用全FSI”电解液的电池循环200周之后容量保持率达到了89%。

图3. Li//NMC622电池在不同电解液中测试。 

小结

设计开发了一种全新中低盐浓度电解液体系，实现了高压金属锂电池的高度可逆循环，为新电解液体系的设计开发提供了一条崭新思路。 

参考文献

Weijiang Xue, Zhe Shi,Mingjun Huang, Shuting Feng, Chao Wang, Fei Wang, Jeffrey Lopez, Bo Qiao,Guiyin Xu, Wenxu Zhang, Yanhao Dong, Rui Gao, Yang Shao-Horn*, Jeremiah A.Johnson* and Ju Li*. Energy & Environmental Science, 2019

DOI: 10.1039/c9ee02538c

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ee/c9ee02538c#!divAbstract 

作者简介

本文第一作者薛伟江博士，2013年获得清华大学博士学位，目前在美国麻省理工学院李巨教授课题组从事博士后研究。在国际知名学术期刊上发表学术论文40余篇，其中多篇以第一作者发表在NatureEnergy，Energy & Environmental Science， Matter， NanoEnergy，Scripta Materialia， Journal of the AmericanCeramic Society，Journal of the European Ceramic Society等知名能源与材料领域高水平期刊杂志。目前的主要研究方向是：高能量密度高压金属锂电池及电解液、高能量密度、长寿命锂硫电池的基础与实用化研究。