【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】隨著電動(dòng)汽車和消費(fèi)電子行業(yè)的迅速發(fā)展，鋰離子電池(LIBs)愈發(fā)承擔(dān)著不可或缺的角色。然而，組裝LIBs需要超低水分環(huán)境，比如手套箱或干燥室所提供的環(huán)境，進(jìn)而導(dǎo)致能源消耗增加和技術(shù)限制。液態(tài)電解質(zhì)由鋰鹽和有機(jī)溶劑組成，對(duì)水分高度敏感。電池內(nèi)存在的水會(huì)導(dǎo)致鋰鹽的水解，產(chǎn)生氟化鋰(LiF)和高腐蝕性的氫氟酸(HF)，其中HF會(huì)攻擊電池的界面，導(dǎo)致正極處有害過(guò)渡金屬(TMs)溶出和負(fù)極的固態(tài)電解質(zhì)界面相(SEI)的破損，最終危及電池的電化學(xué)性能。這些問題在鋰金屬電池(LMBs)中更為明顯，因?yàn)镠F與鋰金屬負(fù)極會(huì)發(fā)生更為劇烈的反應(yīng)，導(dǎo)致容量加速退化，增加安全風(fēng)險(xiǎn)。此外，這些不利影響在高鎳正極中更為明顯，特別是在高壓或高溫條件下。近期，多孔材料(PMs)由于其具有高表面積、可調(diào)節(jié)的孔隙結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定的化學(xué)/電化學(xué)性能等特性，被置于電池體系中來(lái)消除H2O/HF。然而，去除H2O的有效性受到PMs的物理吸附能力和特定化學(xué)吸附位點(diǎn)數(shù)量的限制。另外，目前大多研究是通過(guò)消除H2O來(lái)減少鋰鹽水解進(jìn)而間接去除HF，而不是直接消除HF。
與HF相比，H2O對(duì)SEI的形成有一定的積極作用。這是因?yàn)镻F6−的水解不僅會(huì)產(chǎn)生HF，還會(huì)產(chǎn)生LiF，而LiF是抑制枝晶生長(zhǎng)的優(yōu)良SEI組分。因此，直接中和或消除H2O衍生的HF，而不直接消除H2O，這將確保SEI中具有高含量的H2O衍生的LiF，進(jìn)一步提高LMBs性能。然而，據(jù)我們所知，目前還沒有一種經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)的策略來(lái)解耦H2O、HF和LiF之間的相互作用，從而實(shí)現(xiàn)“保留H2O的同時(shí)消除HF”的目標(biāo)。
圖1：HF對(duì)電極的破壞性及隔膜設(shè)計(jì)消除HF的原理
上海交通大學(xué)變革性分子前沿科學(xué)中心梁正副教授設(shè)計(jì)并制備出哌啶摻雜、功能集成的分子篩(TW@PI)、并將其復(fù)合到聚乙烯(PE)隔膜表面來(lái)精確地消除由H2O產(chǎn)生的HF，從而使LMBs形成富LiF的SEI，即使在高H2O含量的電解液中也能確保穩(wěn)定循環(huán)。因此，使用TW@PI-PE隔膜的對(duì)稱鋰電池在含有500 ppm H2O的碳酸基電解液中，在3 mA cm−2和3 mAh cm−2下實(shí)現(xiàn)了超過(guò)500小時(shí)的穩(wěn)定循環(huán)，優(yōu)于同類電池。此外，由于過(guò)渡金屬溶解的有效限制，采用LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2正極的LMB在1000 ppm含水量和截止電壓為4.6 V的條件下穩(wěn)定循環(huán)100圈后，容量保持率可以達(dá)到81%。
相關(guān)研究成果以“Eliminating Hydrogen Fluoride through Piperidine-Doped Separators for Stable Li Metal Batteries with Nickel-Rich Cathodes”為題發(fā)表于期刊Angewandte Chemie International Edition(德國(guó)應(yīng)用化學(xué))上。
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