利物浦大学《AFM》：新设计！用以实现锂氧电池稳定的锂金属循环

锂金属作为高能量密度的阳极材料在锂基电池中的可靠和广泛应用，相对于目前的先进锂离子技术，高能量密度的阳极材料代表着能量存储能力的显著进步。除了锂离子，非水基锂氧(Li₂O₂)电池通常包括Li-金属阳极、容纳Li₂O₂生长的多孔阴极框架和作为活性材料的外部气态O₂供应系统，由于该电池具有非常高的比能量(3500 Wh/kg的理论值和500-1000 Wh/kg的实际值)而受到特别关注。锂金属电极的高效利用对于最大化锂-氧(Li-O₂)电池的比能量至关重要。然而，许多支持锂-氧阴极过程的传统电解质(如DMSO、DMSO)与锂金属不相容。

来自英国利物浦大学等单位的研究人员探索了一系列基于溶剂、盐和离子液体的三元溶液，以了解如何通过定制配方来提高锂金属电极上DMSO的稳定性和性能。相关论文发表在Advanced Functional Materials。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202010627

该研究的优化配方有助于稳定的锂电镀/剥离性能，库仑效率> 94%，并且能够提高锂-氧全电池的性能。锂表面的表征揭示了在优化的配方中树枝状沉积和腐蚀的抑制以及界面处分解反应的调节机理。这些观察结果与光谱表征和局部溶剂化的模拟相关，这表明DMSO-锂阳离子相互作用的持续重要性。其中，稳定性仍然依赖于溶液中的摩尔比，并且4∶1的溶剂-盐比对于这些三元配方是至关重要的。

图1|i)锂|电解质|锂电池的恒电流循环。

图2|i–iii) 0.1X_Li电解质在50个周期(100小时)间隔下的Li|Li对称电池的奈奎斯特图

图3| Li|Li电池的电压曲线在O₂气下循环，x_Li = 0.2对应A(1:0)(黑色轨迹)，x_Li= 0.2对应B(9:1)(红色轨迹)，x_Li = 0.15对应E(蓝色轨迹)。

图4| 选择容量有限(500 mAh/g)的Li–O₂电池在2–4.5V电压范围内和j =± 60 mA/g下进行循环的电压范围。

图5| 三元锂的拉曼光谱[TFSI]:DMSO:IL的配方。

图6|i)从δ_as(c-s)峰的积分强度导出的自由(封闭形状)和束缚(开放形状)DMSO的比例关系

图7|i)二进制DMSO/Li[TFSI]和三进制DMSO/[Pyrr14][TFSI]/Li[TFSI]配方中DMSO(钻石)和Li+(圆圈)的扩散系数(D)

通过大范围配制三元溶剂/盐/离子液体混合物，锂-氧电池用DMSO基电解质在锂-金属界面上的电化学稳定性得到改善和优化。引入稳定的环状烷基铵-[TFSI]离子液体可以调整三种组分之间的重要摩尔比，并且显著提高了锂-金属电镀/剥离循环的稳定性，达到>900小时循环性能，同时过电势没有增加。在优化的三元混合物中，锂的镀覆/剥离的库伦效率> 94%，是目前含DMSO电解质的最高报告之一。此外，引入溶解的O₂对三元配方中的瞬时SEI形成以及随后的Li循环稳定性具有有限的影响。简化的Li-O₂全电池中循环性能的改善也在本文中被证明。（文：SSC）