孟颖教授等人，最新Nature Energy！

成果展示

高能量密度、更高的安全性、温度弹性和可持续性是锂电池电解质的理想特性，但是这些性能指标很少能同时实现。受到清洁灭火剂成分的启发，美国加州大学圣地亚哥分校孟颖（Y. Shirley Meng）教授和Yangyuchen Yang、美国陆军研究实验室Oleg Borodin（共同通讯作者）等人报道了一种用于宽温度范围锂金属电池（Li-metal batteries, LMBs）的多功能液化气电解质（liquefied gas electrolyte, LGE），该电池具有固有的灭火性能和使用后的经济回收性。

通过合理设计基于1, 1, 1, 2-四氟乙烷（1, 1, 1, 2-tetrafluoroethane, TFE）和五氟乙烷（pentafluoroethane, PFE）的固有安全液化气电解质，作者展示了自灭火效果并展示了简单的一步溶剂回收过程。该电池在-78 °C至+80 °C温度范围内，仍旧保持了>3 mS cm^-1的离子电导率。

由于在较宽的温度范围内具有足够高的离子电导率、有利的溶剂化结构和固体电解质界面（solid-electrolyte interphase, SEI）形成，所设计的LGE表现出稳定的锂金属循环，库仑效率（coulombic efficiency, CE）为99%，并且长期Li/NMC622在-60 ℃至+55 ℃温度范围内的长期循环电压高达4.2 V。

此外，作者展示了该液化气电解质在不同温度下的蒸汽压差的一步溶剂回收过程，有望实现大规模的可持续运行。该工作为可持续的、具有温度弹性的LMBs提供了一条途径，该电池具有灭火性能，可保持最先进的电化学性能。

背景介绍

锂（Li）金属负极因其最高的理论比容量和最低的电化学电位而被认为是高能量密度可再充电电池最有希望的候选者。然而，枝晶问题、零度下有限的循环寿命和容量衰减问题，阻碍了其实际应用。由于Li金属与电解质的寄生反应，固体电解质界面（SEI）开裂、多孔镀层形态和枝晶形成，导致Li循环的不可逆性。此外，非典型循环温度引入了额外的设计复杂性，其中低温已被证明会导致树枝状形态和较差的可逆性，而升高的温度往往会加剧各种寄生反应性。因此，由温度弹性可逆性、固有安全物理特性和环境和经济可持续应用的可行途径组成的电解质系统的设计似乎是一个不可克服的挑战。

固态电解质的离子电导率在中等低温（<0 °C）下也会受到影响，其在需要宽温度窗口的实际应用有限。具有熔盐的离子液体电解质具有低挥发性和低可燃性，但其高粘度（特别是在低温下）和成本限制了应用。此外，几乎没有关于固态电解质或离子液体的报道在不引入额外电池组件的情况下在全电池中证明了可行的Li金属性能。最近，通过添加惰性稀释剂来配制局部高浓度电解质（LHCEs）以降低整个电解质的粘度，改善上述问题并保持电池性能所需的所有特性，但一种能够全面解决所有这些问题的电解质化学物质尚未得到证实。

图文详情

液化气电解质的合理设计

在理想情况下，液化气溶剂不仅具有足够低的蒸气压、低/不可燃性、低粘度和低凝固点，而且还应具有足以实现>1 M盐溶解度的溶剂化能力。因此，作者使用不易燃、低粘度、低蒸气压的氢氟烃和Li⁺配位醚的混合物来实现。受灭火剂FS 49 C2的启发，1, 1, 1, 2-四氟乙烷（TFE）和五氟乙烷（PFE）被确定为潜在的液化气助溶剂。由于TFE和PFE的灭火特性，在恶劣条件下运行电池将显着抑制火焰。

图1. LGEs的设计

传输和安全特性

在1, 2-二甲氧基乙烷（1 M LiFSI-DME）中，LGEs 1 M LiFSI-Me₂O、1 M LiFSI-Me₂O-TFE和1 M LiFSI-Me₂O-TFE-PFE在宽温度内（-78 °C至+80 °C）表现出接近恒定的电导率>1 mS cm^-1。值得注意的是，在-78 °C至+70 °C内，在1 M LiFSI-Me₂O和1 M LiFSI-Me₂O-TFE电解质中测得的电导率分别超过14.1 mS cm^-1和4.5 mS cm-¹。同时，Me₂O、TFE和PFE的蒸气压分别为+20 °C时氟代甲烷的15%、17%和35%，其中Me₂O和TFE在具有高临界点的宽温度范围内具有相似的蒸气压。

图2. LGEs的性能

图3. 配制电解质的体积结构和MD模拟结果

电化学性能

在3 mA cm^-2的电流密度和3 mAh cm^-2的实际容量下，Li金属负极在1 M LiFSI-DME中的性能在9次循环后迅速下降。使用1 M LiFSI-Me₂O循环的电池在前100次循环中的平均CE为96.4%，表明Li金属与Me₂O的兼容性有所提高，使用1 M LiFSI-Me₂O-TFE-PFE和1 M LiFSI-Me₂O-TFE的LGE的第一次循环CE值分别为94.8%和96.8%。在随后的200次循环中，平均CE值分别为98.8%和99.0%，证明了它们与Li金属负极的电化学兼容性。

由Li金属负极与LiNi_0.6Mn_0.2Co_0.2O₂正极（NMC622）组成的电池，以1 M LiFSI-Me₂O-TFE和1 M LiFSI-Me₂O-TFE-PFE为电解质显示出高达4.4 V的氧化稳定性。在室温和在4.2 V高电压下，1 M Me₂O-TFE-PFE中的Li/NMC622电池的平均CE大于99.0%，在200次循环中容量保持率为90.4%。在低温度（-20 °C）下，1 M LiFSI-Me₂O-TFE-PFE电解质表现出99.6%的平均CE值，以及在200次循环后>90.0%的容量保持率，而碳酸盐基电解质表现出较低的平均CE和降低的（70.1%）容量保持率。

图4. Li金属负极和Li/NMC622电池在不同电解质中的电化学性能

图5. Li形态和SEI的可视化

图6. 使用电解质的XPS测量获得的SEI信息

图7. LGEs的回收概念和示范

文献信息

Fire-extinguishing, recyclable liquefied gas electrolytes for temperature-resilient lithium-metal batteries. Nature Energy, 2022, DOI: 10.1038/s41560-022-01051-4.

https://doi.org/10.1038/s41560-022-01051-4.

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