Advanced Science:揭示锂金属氧化还原电位与锂离子溶剂化结构的相关性

本文展示了在含有锂离子与环状冠醚(15-crown-5)复合物的电解液中,锂离子的活性发生了重大变化

Advanced Science:揭示锂金属氧化还原电位与锂离子溶剂化结构的相关性
锂离子在电解液中的活性取决于其溶剂化结构。然而,从锂离子和溶剂分子之间的相互作用来看,对锂离子活性变化的理解仍然是难以捉摸的。
首尔大学Kyu Tae Lee等,这与传统的碳酸酯电解液相比,会导致锂金属的氧化还原电位显著下降。
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图1. 不同电池的代表性电压曲线及锂负极的电位偏移
新的Li/[Li(15C5)]+(15C5=15-冠醚,[Li(15C5)]+=Li+-15C5复合物)的氧化还原反应对与水系电解液中Li/Li+的标准电极电位(-3.041 V)相比,显示出较低的形式电位-3.32 V(与NHE相比),这是由于与15-crown-5螯合的Li+的络合效应造成的。
此外,作者采用稳定的双相电解液构建了3.7V级Li | LiFePO4电池,这里使用的是离子选择膜,其中负极和正极的电解液分别为含和不含15-crown-5的LiPF6-EC/DMC。因此,与传统的含有单相电解液的3.4V级Li | LiFePO4电池相比,含有螯合剂的双相电解液提高了Li | LiFePO4的能量密度。
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图2. 采用双相电解液的磷酸铁锂电池性能
此外,这项工作还证明了在含有丰富的TFSI-阴离子的离子液体电解液中,由于形成了弱溶剂化锂离子结构,如[Li(TFSI)2]-,导致了LiFePO4正极的正电位转移,从而使Li+的活性显著提高。络合效应和弱溶剂化效应的结合进一步允许构建3.8V级的Li | LiFePO4电池。
此外,作者通过研究螯合的Li+离子与环状/线性醚以及弱溶剂化的Li+离子与离子液体的关系,研究了Li+活性、电位转移和Li+溶剂化结构之间的关系。更加稳定的Li+复合物会引起Li+在电解液中活性的下降,而弱溶剂化的Li+离子则会增加Li+在电解液中的活性,最终导致电池电压的显著增加。这些发现为设计高能量密度锂金属电池的先进电解液也提供了机会。
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图3. 采用双相电解液的钴酸锂电池性能
Correlation between Redox Potential and Solvation Structure in Biphasic Electrolytes for Li Metal Batteries. Advanced Science 2022. DOI: 10.1002/advs.202203443

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