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Angew. Chem. :锚定弱溶剂化电解质用于高压和低温锂离子电池

碳酸酯类电解质使锂离子电池取得了巨大成功,推动了电动汽车和便携式电子设备的快速发展。然而,碳酸酯类溶剂与Li+的强亲和力以及部分组分的高熔点特性无法为快充或低温条件提供兼容的快速去溶剂化过程以及Li+的传输,导致锂离子在上述条件下容量保持率低、过电势高,同时存在金属锂析出的风险。近年来,具有宽液态区的醚类电解质正受到越来越多的关注。然而,醚类电解液通常不耐高压,无法与高镍三元等高压正极匹配。此外,常规链状醚类电解质如乙二醇二甲醚与Li+结合能力过强,导致发生对石墨的溶剂共嵌行为。弱溶剂化醚类电解质如1,3-二氧戊环和四氢呋喃可阻止溶剂共嵌,但大量游离溶剂加剧了对高压正极的低氧化稳定性。


基于此,南开大学赵庆研究员团队报道了一类锚定弱溶剂化电解质(Anchored Weakly-Solvated Electrolytes,AWSEs),在实现锂离子弱溶剂化的同时,又能通过锂离子锚定更多的溶剂,实现无氟醚类溶剂的超高压稳定性。为了实现这一目标,他们设计了一系列链长可控的多聚甲醛电解质溶剂。与传统醚类的五元环配位相比,多聚甲醛的四元环弱配位能力促进了界面处的脱溶剂化过程。随着多聚甲醛分子链段中的甲氧基逐渐增加,在相同的盐浓度下通过Li+可以锚定更多的溶剂,从而提高电解质体系的氧化稳定性。最后,含大量O原子的无氟结构对离子解离能力的负面影响较小。







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进一步测试表明,在相同锂离子浓度下(1 mol/L,以溶剂体积计算),所设计的AWSEs随着多聚甲醛链长的增加,自由溶剂比例显著减少,氧化分解电压逐渐增加。与传统醚类电解液相比,AWSEs能够同时实现对石墨(Gr)负极的无溶剂共嵌入行为和对高镍正极(LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2-NCM811)的高氧化稳定性。同时弱溶剂化有助于阴离子参与锂离子配位,促进在正负极表面形成富无机的固态电解质界面层,提升界面离子输运能力和电极长循环稳定性。

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最终,电化学测试表明,石墨||NCM811 Ah级软包电池在室温下1000次循环的容量保持率可达70.85%,在-20 °C下400次循环的容量保持率可达75.86%。这项工作为开发适应极端条件的高比能/高功率动力电池提供了电解质溶剂分子新的设计思路。

文信息

Anchored Weakly-Solvated Electrolytes for High-Voltage and Low-Temperature Lithium-ion Batteries

Xu Liu, Jingwei Zhang, Xuanyu Yun, Jia Li, Huaqing Yu, Lianqiang Peng, Zihang Xi, Ruihan Wang, Ling Yang, Prof. Wei Xie, Prof. Jun Chen, Prof. Qing Zhao

文章的第一作者是南开大学化学学院的博士研究生刘旭


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202406596





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