【引言】

鋰空氣電池，更準(zhǔn)確地說，鋰氧電池，由于其高比能量密度而受廣泛關(guān)注。在過去一段時間中，研究人員把注意力主要放在正極，而較少關(guān)注鋰氧電池這一特殊環(huán)境下金屬鋰負(fù)極的穩(wěn)定性。在鋰氧電池中，溶解于電解液中的氧氣分子可能從正極穿梭至負(fù)極，從而加劇金屬鋰負(fù)極的不穩(wěn)定性。因此，如何提高金屬鋰負(fù)極在氧氣氛圍中的穩(wěn)定性是鋰氧電池面臨的大挑戰(zhàn)，從廣泛的意義上來說，也是也是鋰金屬負(fù)極研究的新課題。這篇推送，將介紹一種通過鋰鹽的設(shè)計應(yīng)對這一挑戰(zhàn)的新思路。

《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）近刊登了來自中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所彭章泉課題組和華中科技大學(xué)周志彬課題組的合作研究，題為“The Salt Matters: Enhanced Reversibility of Li–O2 Batteries with a Li[(CF3SO2)(n-C4F9SO2)N]-Based Electrolyte”。該論文采用一種新型磺酰亞胺鋰鹽{Li[(CF3SO2)(n-C4F9SO2)N], LiTNFSI}，并以四乙二醇二甲醚（TEGDME）為溶劑制備成電解液。通過一系列先進(jìn)表征手段，該論文發(fā)現(xiàn)這種新電解液引導(dǎo)在金屬鋰負(fù)極表面原位生成了一層致密、多氟、疏氧的固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）膜，明顯增強(qiáng)了鋰金屬在氧氣氛圍中的穩(wěn)定性。與商業(yè)化的鋰鹽{Li[(CF3SO2)2], LiTFSI}對比，應(yīng)用這種新型鋰鹽能夠使鋰氧電池壽命提高一倍。

彭章泉研究員和周志彬教授為論文的共同通訊作者。華中科技大學(xué)2015級博士生仝博為論文作者。中南大學(xué)黃俊副教授為論文第二作者。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1 導(dǎo)電鋰鹽結(jié)構(gòu)

圖2 O2氛圍下鋰金屬負(fù)極穩(wěn)定性

a）Li|1.0 M LiTNFSI TEGDME|Li0.5FePO4

b）Li|1.0 M LiTFSI TEGDME|Li0.5FePO4

氧氣氛圍下，鋰金屬在1.0 M LiTNFSI TEGDME中可以保持良好的穩(wěn)定性。

圖3 在Ar (或O2)條件下Li|Li電池循環(huán)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 電池循環(huán)表明無論在氧氣還是氬氣條件，鋰金屬在1.0 M LiTNFSI TEGDME中均能保持良好的循環(huán)穩(wěn)定性。

圖4 O2 氛圍下，Li|Li電池循環(huán)100周后鋰金屬形貌

a, b, c) 新鮮鋰金屬

d, e, f) 1.0 M LiTNFSI TEGDME

g, h, i) 1.0 M LiTFSI TEGDME

在1.0 M LiTNFSI TEGDME體系中，金屬鋰表面保持良好的平整性，副反應(yīng)得到有效抑制。

圖5 Li-O2 電池循環(huán)曲線及DEMS測試結(jié)果

a,b,c) 1.0 M LiTNFSI TEGDME

d,e,f) 1.0 M LiTFSI TEGDME

基于1.0 M LiTNFSI TEGDME電解液的鋰氧電池循環(huán)性能及可逆性得到明顯提高。

【小結(jié)】

該工作通過調(diào)節(jié)鋰鹽結(jié)構(gòu)（LiTNFSI vs LiTFSI），進(jìn)而改善金屬鋰界面組成、提高其在O2條件下的穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn)LiTNFSI在金屬鋰表面優(yōu)先還原，生成了一層致密、多氟的SEI膜，該SEI膜明顯提高了O2氛圍下金屬鋰界面穩(wěn)定性， 增強(qiáng)了Li-O2 電池循環(huán)性能。該研究工作為提高金屬鋰界面穩(wěn)定性提供了新的解決方案。