锂盐设计应对锂氧电池负极稳定性技术的新思路

【引言】

锂空气电池，更准确地说，锂氧电池，由于其高比能量密度而受广泛关注。在过去一段时间中，研究人员把注意力主要放在正极，而较少关注锂氧电池这一特殊环境下金属锂负极的稳定性。在锂氧电池中，溶解于电解液中的氧气分子可能从正极穿梭至负极，从而加剧金属锂负极的不稳定性。因此，如何提高金属锂负极在氧气氛围中的稳定性是锂氧电池面临的大挑战，从广泛的意义上来说，也是也是锂金属负极研究的新课题。这篇推送，将介绍一种通过锂盐的设计应对这一挑战的新思路。

《先进材料》（Advanced Materials）近刊登了来自中国科学院长春应用化学研究所彭章泉课题组和华中科技大学周志彬课题组的合作研究，题为“The Salt Matters: Enhanced Reversibility of Li–O2 Batteries with a Li[(CF3SO2)(n-C4F9SO2)N]-Based Electrolyte”。该论文采用一种新型磺酰亚胺锂盐{Li[(CF3SO2)(n-C4F9SO2)N], LiTNFSI}，并以四乙二醇二甲醚（TEGDME）为溶剂制备成电解液。通过一系列先进表征手段，该论文发现这种新电解液引导在金属锂负极表面原位生成了一层致密、多氟、疏氧的固态电解质界面（SEI）膜，明显增强了锂金属在氧气氛围中的稳定性。与商业化的锂盐{Li[(CF3SO2)2], LiTFSI}对比，应用这种新型锂盐能够使锂氧电池寿命提高一倍。

彭章泉研究员和周志彬教授为论文的共同通讯作者。华中科技大学2015级博士生仝博为论文作者。中南大学黄俊副教授为论文第二作者。

【图文导读】

图1 导电锂盐结构

图2 O2氛围下锂金属负极稳定性

a）Li|1.0 M LiTNFSI TEGDME|Li0.5FePO4

b）Li|1.0 M LiTFSI TEGDME|Li0.5FePO4

氧气氛围下，锂金属在1.0 M LiTNFSI TEGDME中可以保持良好的稳定性。

图3 在Ar (或O2)条件下Li|Li电池循环性能

a）1.0 M LiTFSI TEGDME Ar

b）1.0 M LiTFSI TEGDME O2

c）1.0 M LiTNFSI TEGDME Ar

d）1.0 M LiTNFSI TEGDME O2

Li|Li 电池循环表明无论在氧气还是氩气条件，锂金属在1.0 M LiTNFSI TEGDME中均能保持良好的循环稳定性。

图4 O2 氛围下，Li|Li电池循环100周后锂金属形貌

a, b, c) 新鲜锂金属

d, e, f) 1.0 M LiTNFSI TEGDME

g, h, i) 1.0 M LiTFSI TEGDME

在1.0 M LiTNFSI TEGDME体系中，金属锂表面保持良好的平整性，副反应得到有效抑制。

图5 Li-O2 电池循环曲线及DEMS测试结果

a,b,c) 1.0 M LiTNFSI TEGDME

d,e,f) 1.0 M LiTFSI TEGDME

基于1.0 M LiTNFSI TEGDME电解液的锂氧电池循环性能及可逆性得到明显提高。

【小结】

该工作通过调节锂盐结构（LiTNFSI vs LiTFSI），进而改善金属锂界面组成、提高其在O2条件下的稳定性。研究发现LiTNFSI在金属锂表面优先还原，生成了一层致密、多氟的SEI膜，该SEI膜明显提高了O2氛围下金属锂界面稳定性， 增强了Li-O2 电池循环性能。该研究工作为提高金属锂界面稳定性提供了新的解决方案。