第一作者：薛偉江
通訊作者：Ju Li，Shao-horn Yang，Jeremiah A. Johnson
通訊單位：麻省理工學院
研究亮點：
1. 受LiFSI鹽結構啟發，設計并獲得了一種全新FSA（dimethylsulfamoyl fluoride）溶劑。
2. 由FSA和LiFSI、LiPF6組成的中低濃度電解液對金屬鋰負極的庫倫效率可以快速達到99%以上。在有限金屬鋰過量的情況下，Li//NMC622電池循環200周后容量保持率達到89%。
鋰金屬電池電解液
基于過渡金屬氧化物正極和石墨負極的鋰離子電池已經接近能量密度極限。若想進一步將全電池能量密度提升至400 Wh/kg以上，金屬鋰負極（石墨負極~10倍容量）幾乎是唯一選擇。一種可行的方案是金屬鋰匹配三元正極（如LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2, NMC622）。但是，高兼容性電解液的開發仍是巨大挑戰之一。碳酸酯類電解液雖然具有很好的抗氧化性，但是對金屬鋰兼容性差，而對金屬鋰負極友好的傳統醚類電解液的抗氧化性較差，無法匹配高電壓（>4V）正極材料。對此，通常的解決辦法是采用高濃鹽電解液拓寬電壓窗口，但是其高粘度和高成本，限制了應用場合。同時，高濃鹽電解液對金屬鋰的庫倫效率（CE）還不夠高。因此，如何尋找到一種對金屬鋰和高電壓正極同時具有良好兼容性的全新電解液體系迫在眉睫。
成果簡介
有鑒于此，美國麻省理工學院的李巨、邵陽和Jeremiah Johnson團隊在LiFSI鹽結構的啟發下，聯合開發了一種全新電解液體系，可以在中低鹽濃度下獲得金屬鋰的高庫倫效率，同時對NMC622正極具有高兼容性。
圖1. FSS電解液設計策略。
要點1. 受LiFSI鹽結構啟發，設計并獲得了一種全新FSA溶劑
LiFSI是一種對金屬鋰具有很好兼容性的鹽，其化學結構中的含F官能團在與Li的反應過程中可以快速生成LiF保護Li表面，從而獲得高CE。受LiFSI鹽化學結構的啟發，團隊設計并找到了一種含有相同官能團的溶劑FSA。第一性原理DFT計算表明，相比傳統的對金屬鋰具有高兼容性的FEC （fluoroethylene carbonate）溶劑，該FSA溶劑在與Li的反應過程中更容易形成LiF。
要點2. 全新電解液具有非常好的金屬鋰兼容性
由2.5m LiFSI和0.2m LiPF6與FSA溶劑匹配形成的中低濃度“全FSI”電解液（FFS）不但克服了高濃電解液的缺點，還對金屬鋰具有很好的兼容性。采用“全FSI”電解液的Li//Cu半電池的初始庫倫效率（ICE）達到了91%，并在10周內迅速達到99%。而相同鹽濃度下的FEC基電解液（LFF）需要164周才能達到99%，活性鋰損失量大大高于“全FSI”電解液。
圖2. 不同電解液電化學性能。
要點3. 全新電解液具有優異的高電壓正極兼容性
“全FSI”電解液不但具有>4.5V的寬電化學窗口，相比商用碳酸脂類電解液（SE），采用全“FSI”電解液的Li//NMC622電池還具有更好的倍率性能。同時，在有限金屬鋰過量的情況下，采用商用電解液的Li//NMC622電池從70周開始由于鋰耗盡容量快速衰減。而采用全FSI”電解液的電池循環200周之后容量保持率達到了89%。
圖3. Li//NMC622電池在不同電解液中測試。
小結
設計開發了一種全新中低鹽濃度電解液體系，實現了高壓金屬鋰電池的高度可逆循環，為新電解液體系的設計開發提供了一條嶄新思路。
參考文獻
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
作者簡介
本文第一作者薛偉江博士，2013年獲得清華大學博士學位，目前在美國麻省理工學院李巨教授課題組從事博士后研究。在國際知名學術期刊上發表學術論文40余篇，其中多篇以第一作者發表在NatureEnergy，Energy & Environmental Science， Matter， NanoEnergy，Scripta Materialia， Journal of the AmericanCeramic Society，Journal of the European Ceramic Society等知名能源與材料領域高水平期刊雜志。目前的主要研究方向是：高能量密度高壓金屬鋰電池及電解液、高能量密度、長壽命鋰硫電池的基礎與實用化研究。
