高電壓鋰金屬電池被視為下一代極具前景的高能量密度儲(chǔ)能器件之一，不斷朝著電動(dòng)汽車、太空探索、海底作業(yè)和大規(guī)模電網(wǎng)儲(chǔ)能等應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展。這意味著儲(chǔ)能電池需要兼顧高能量密度、高安全性和寬的應(yīng)用溫度范圍。但是目前廣泛使用的商業(yè)碳酸酯類電解液很難滿足上述需求，一方面，商業(yè)電解液中碳酸酯類溶劑較高的熔點(diǎn)和低的電化學(xué)窗口會(huì)大大限制電池在低溫和高電壓條件下的性能；另一方面，鋰金屬表面不穩(wěn)定的固體電解質(zhì)中間相(SEI)會(huì)導(dǎo)致鋰枝晶的生長，極易刺穿隔膜，導(dǎo)致電池發(fā)生內(nèi)短路從而引起熱失控，同時(shí)碳酸酯類有機(jī)溶劑極易參與燃燒反應(yīng)，從而造成嚴(yán)重的安全隱患。
為了解決上述問題，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所吳曉東團(tuán)隊(duì)研究人員在不可燃電解液和安全鋰金屬電池方面取得一系列研究進(jìn)展。他們從調(diào)控鋰離子溶劑化結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，采用高濃度鋰鹽搭配離子液體溶劑和低粘度有機(jī)溶劑，構(gòu)建了雙陰離子型阻燃電解液，并成功應(yīng)用于高電壓鋰金屬電池體系（Energy Storage Materials, 2020, 30, 228-237）。為了改善電解液的潤濕性和鋰金屬電池倍率性能，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步采用非極性氫氟醚稀釋劑策略，在不改變高濃度電解液溶劑化結(jié)構(gòu)的前提下，有效降低電解液黏度和成本，構(gòu)建了本質(zhì)不燃局部高濃度離子液體基電解液，成功提高電解液離子電導(dǎo)率和對(duì)隔膜的浸潤性，有效提高鋰金屬電池倍率和循環(huán)穩(wěn)定性（Advanced Energy Materials, 2021, 11, 2003752）。
近期，為進(jìn)一步降低成本以便更好地滿足應(yīng)用需求，研究團(tuán)隊(duì)將不燃的低粘度低熔點(diǎn)氫氟醚惰性稀釋劑與低熔點(diǎn)離子液體溶劑混合，同時(shí)創(chuàng)新性地采用超低濃度（0.1 mol/L）的雙氟草酸硼酸鋰LiDFOB作為鋰鹽，成功制備出了一種可應(yīng)用于寬溫度范圍和高電壓鋰金屬電池體系的新型電解液。該類電解液具有極寬的液態(tài)溫度范圍(-100~ +70 ℃)，超高的電化學(xué)窗口(~ 5.75 V)和完全不燃等特性。同時(shí)由于其具有特殊的鋰離子溶劑化結(jié)構(gòu)和離子液體有機(jī)陽離子的靜電屏蔽作用，有利于形成穩(wěn)定的SEI層，從而有效抑制鋰金屬負(fù)極鋰枝晶的生長，大大提高鋰金屬電池庫倫效率和循環(huán)性能。采用此類超低濃度電解液可以有效降低成本，同時(shí)組裝的NCM622/Li鋰金屬電池在4.5 V高電壓和-60~ +70 ℃超寬溫度范圍都展現(xiàn)出優(yōu)秀的電化學(xué)性能。
相關(guān)成果以Advanced Ultralow-Concentration Electrolyte for Wide-Temperature and High-Voltage Li-Metal Batteries為題發(fā)表于Advanced Functional Materials。該工作得到了國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目等資助。
圖1 不同電解液溶劑化結(jié)構(gòu)和鋰金屬界面化學(xué)行為流程圖及燃燒性測試
圖2 鋰金屬負(fù)極穩(wěn)定性測試
圖3 超低濃度電解液溶劑化結(jié)構(gòu)及鋰金屬表面SEI表征
圖4 高電壓NCM622/Li鋰金屬電池電化學(xué)性能測試
（來源：蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所）