|
锂金属电池成为下一代储能装置面临的关键挑战是需要稳定的锂金属和电解质之间的界面，目前一种很有前景的方法是促进盐衍生形成坚固稳定的固态电解质界面（SEI）。 斯坦福大学崔屹教授和鲍哲南教授合作报道了一种用于锂金属电极的亲盐、疏溶剂（SP2）聚合物涂层，该涂层选择性地通过溶剂传输盐，从而促进盐衍生形成SEI。与先前报道的人工SEI不同，这种亲盐、疏溶剂界面涂层可以在几种类型的溶剂（如醚、碳酸盐和氟化醚）广泛使用，显著提高了电池循环性能。具体而言，亲盐、疏溶剂涂层进一步提高了高性能氟化醚电解质的循环性能，使其具有约400周的循环寿命。相关研究成果以“A
salt-philic, solvent-phobic interfacial coating design for lithium metal
electrodes”为题发表在Nature
energy上。 原文链接： https:///10.1038/s41560-023-01252-5
锂金属电池由于其高理论比容量而有潜力作为下一代储能装置。然而锂金属电池（LMB）的容量迅速衰减，主要原因是锂金属和电解质之间的界面不稳定，具体地，锂金属接触电解质形成的固态电解质界面（SEI）不均匀且易碎，在金属锂电镀和剥离过程中，它会以不受控制的方式反复开裂并进一步生长，其异质性在整个电池循环过程中被放大，导致沉积锂枝晶和容量衰减。 为提高负极的性能，目前有三种方法可考虑：电解质工程、界面设计或两者相结合。作为一种界面设计方法，将聚合物层应用于锂电极有助于稳定该界面并促进锂金属电池的长循环性能。聚合物因其可调控的化学成分而备受青睐，该聚合物层预计与下面的锂金属具有物理和化学相互作用。 粘弹性聚合物层提供了对锂金属的机械抑制，并在循环过程中保持对电极的均匀覆盖。通过引入与Li+相互作用的部分或改变Li+溶剂化环境，聚合物层可以调节界面处Li+的传输，聚合物层也可以与电解质产生有利的相互作用，以促进界面处的离子传输。在化学上，这种聚合物层可以与锂金属反应，并产生界面层，例如聚偏二氟乙烯被用作与锂反应，并且反应产物LiF可以使界面处的Li+通量均匀化。聚合物还可以与其他无机材料复合，以改善电子传导和成核过程。 当金属锂与电解质直接接触时，它通常与锂盐和溶剂反应形成SEI，许多电解质设计填充了富含阴离子的溶剂化鞘的概念，由此产生的盐衍生SEI是稳定的，并促进电池的稳定长期工作。 本文中，作者提出了一种使用聚合物涂层来促进盐衍生形成SEI的设计概念，展示了一种亲盐、疏溶剂界面设计，该设计基于聚硅氧烷骨架的聚合物，通过物理相互作用，调节了电极-电解质界面的化学反应，促进了盐衍生形成SEI，可以改善几种典型的电解质（醚、碳酸盐和氟化醚）的电池循环性能。在全电池循环中，使用聚合物涂层的50μm厚锂负极和2.5
mAh cm−2锂镍锰钴氧化物（NMC）正极的电池在碳酸盐电解质中的循环寿命增加了约2.5倍（容量保持率为80%），在氟化醚电解质中增加了约2倍。亲盐、疏溶剂设计概念可以扩展到其他种类聚合物，并可能与其他新兴电解质匹配。（文：李澍）
图1
SP 2涂层的设计理念
图2聚合物和侧链的亲盐性和疏溶剂性的表征
图3
PyTFSI和SP2 perF聚合物的筛选
图4使用SP2perF的不同电解质的电化学表征
图5 SP2 perF包覆Li涂层的Li||NMC电池的循环性能 |
|
|
