巴伊兰大学JACS：含氟有机共溶剂在钝化锂金属负极中的作用

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巴伊兰大学JACS：含氟有机共溶剂在钝化锂金属负极中的作用
与最常用的EC基电解液相比，含有FEC作为共溶剂的电解液提高了采用锂金属负极的各种可充原型电池的稳定性。在实用面容量和电流密度下，采用FEC基电解液的对称锂电池具有极高的循环稳定性。
然而，在实用负载活性电极材料和少量电解液的锂电池原型中，随着实用电流密度的循环，FEC的消耗和电解液的耗尽会导致电池容量更快地衰减。对称Li|Li和Li|NCM电池之间稳定性的显著差异归因于所谓的“串扰”现象，即在充电步骤中在高电位下在正极侧形成的氧化分解产物被输送到锂负极侧，从而恶化负极的钝化。此外，这种串扰还会导致电解液消耗和全电池循环寿命有限。
以色列巴伊兰大学Doron Aurbach等证实在氟化溶剂中添加具有较低LUMO能量的二氟碳酸亚乙酯(DFEC)共溶剂可显著改善全电池的循环行为。
巴伊兰大学JACS：含氟有机共溶剂在钝化锂金属负极中的作用
图1 FEC和DFEC可能的还原反应
FEC和DFEC的协同效应确保了锂金属负极更好的钝化，并得到了详细的实验工作证实。研究显示，在实际面容量为3.4 mAh cm-2的Li|NCM 811电池中测试时，与含有FEC的电解液相比，含FEC和DFEC电解液的用量显著降低（0.7-1.2 μL mg-1NCM 811），并且扣式电池的循环寿命可延长至数百个循环。
巴伊兰大学JACS：含氟有机共溶剂在钝化锂金属负极中的作用
图2 采用不同电解液的Li|NCM 811电池性能
电化学和光谱测试表明，在锂负极钝化表面膜的形成过程中，FEC和DFEC的两种不同行为导致了两种氟化碳酸酯的协同作用。DFEC的作用是快速形成最初的大量表面膜基质，确保电极的初始有效钝化，然后FEC充当修复剂，负责通过小规模反应完成保护性表面膜的形成。
这种情况解释了当其电解液溶液同时包含 FEC和DFEC作为共溶剂时，FEC消耗量的减少和具有实用负载正极材料Li|NCM 811电池循环性能的显著改善。这些结果为开发具有最高能量密度的可充电池铺平了道路。
巴伊兰大学JACS：含氟有机共溶剂在钝化锂金属负极中的作用
图3 FEC和DFEC共溶剂的协同作用
High Energy Density Rechargeable Batteries Based on Li Metal Anodes. The Role of Unique Surface Chemistry Developed in Solutions Containing Fluorinated Organic Co-solvents. Journal of the American Chemical Society 2021. DOI: 10.1021/jacs.1c11315

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