单溶剂离子液体策略实现极端条件下锂金属电池

华东师范大学潘丽坤&黄素梅/暨南大学黎晋良，ESM：单溶剂离子液体策略实现极端条件下锂金属电池

【文章信息】

单溶剂离子液体策略实现宽温和超高截止电压的锂金属电池

第一作者：翁朝仓

通讯作者：黄素梅*，潘丽坤*，黎晋良*

单位：华东师范大学，暨南大学

【研究背景】

双(三氟甲烷磺酰)亚胺基离子液体(TFSI-IL)电解质有望在锂金属电池(LMB)中实现更高的电压(>5 V)，更宽的温度范围(>80°C)和不可燃性。然而，其致命的锂兼容性严重限制了电池的循环寿命。传统解决方案是在IL中引入助溶剂(酯类或醚类)，延长LMB的寿命。然而，这些共溶剂的电化学稳定性受限于电压范围(1.5 ~ 4.7 V vs. Li+/Li)和工作温度(低于50°C)。这损害了TFSI基ILs的固有特性，并对电池的电压和工作温度施加了限制。这项工作提出了一种单溶剂双阴离子离子液体电解质策略，改善离子液体锂兼容性的同时保留了其本征特性。本文为储能系统中极端条件下电解质的设计开辟了新的可能性。

【文章简介】

近日，来自华东师范大学的潘丽坤教授&黄素梅教授与暨南大学黎晋良副研究员 合作，在国际知名期刊Energy Storage Materials 上发表题为“Single-solvent ionic liquid strategy achieving wide-temperature and ultra-high cut-off voltage for lithium metal batteries” 的研究成果。该文章利用离子液体本征的宽电压窗口和热稳定性优势来开发适用极端条件下的锂金属电池电解液。使用双阴离子(FSI-和TFSI-)策略协同构建坚固的SEI，克服了TFSI基IL电解质不稳定的锂沉积。作为结果，离子液体电解质(HCILE)组装的Li//Li电池以0.5 mA cm−2/0.5 mAh cm−2能够稳定循环1900 h。此外， HCILE保留了TFSI基ILs的固有特性，具有5.4 V的极高氧化电位和250 °C的高温耐受性。在高压条件下(2.5~4.95 V)， Li//LiFePO4电池也表现出可逆的阴极电化学特性。

【本文要点】

要点一：IL电解质的物理化学性质及Li+溶剂化结构的分析

咪唑类阳离子由于咪唑环上的电荷离域特性减弱了与阴离子的相互作用。因此，EMIMTFSI表现出比其它IL更高的离子电导率。离子液体的物理化学特性对温度敏感，随着温度的升高，IL电解液的离子电导率显著升高，粘度显著降低，展现出高温应用的潜在优势。此外，相比于商用电解液LP30，HCILE具有优异的热稳定性，在200℃以内几乎没有质量损失。燃烧性测试显示LP30是高度可燃的，而HCILE是不可燃的，说明使用HCILE的LMB 具有更高的安全性能。拉曼光谱数据显示随着LiFSI的增加，电解液中自由阴离子FSI和TFSI的强度降低，更多的阴离子与Li离子形成了配位，促进了富LiF的 SEI层形成。

图1. 新型离子液体电解质的特性

要点二：双阴离子策略助力无枝晶的锂沉积和可逆的阴极电化学

HCILE具有双阴离子配位的溶解化结构。其中，引入LiFSI（含有易于断裂的S-F）有效改善了TFSI基离子液体的差的兼容性（来源于坚固的C-F），导致由TFSI主导的溶剂化结构向FSI主导的溶剂化结构的转变。使用HCILE的Li//Li电池在0.5 mA cm−2/0.5 mAh cm−2下能够稳定循环1900h，克服了传统的基于TFSI的IL电解质只能在有限的电流密度下工作且寿命较短的局限性。此外，FSI的引入显著抑制了锂枝晶的生长，促进形成更加平滑致密的锂沉积层。使用单溶剂的离子液体电解液具有5.4V高的氧化电位，匹配的Li//LiFePO4电池在2.5-4.95 V下循环300圈后仍保持143 mAh g - 1的比容量。

图2. 室温下使用IL电解质的LMB性能

图3. 锂沉积行为的形貌和原理图

图4. IL电解质的高压性能

要点三：富LiF的固态电解质界面

随着LiFSI浓度的增加，越利于富LiF的SEI形成。深度XPS显示HCILE具有内层富LiF的分布。这种由双阴离子FSI 和TFSI 衍生的坚固SEI层具有三维梯度分布结构，包含LiF、Li2S、Li2SO4、Li2SO3、Li2O、Li3N等无机组分和有机物种。这种高质量的SEI层能够有效应对循环过程中严重的体积膨胀和EMIM+阳离子的分解。赋予HCILE优异的Li枝晶抑制能力，克服了TFSI基IL电解质与Li金属的兼容性挑战。

图5. 锂金属阳极上SEI层的分析

要点四：展望

该工作利用基于单溶剂双阴离子策改善了离子液体电解液的锂兼容性同时保留了离子液体的本征特性。由于离子液体具有低挥发性、不可燃性、宽电压窗和热稳定性等特点，使其在极端条件下具有巨大的潜力。这种策略为改善离子液体电解质差的锂相容性提供了见解，并助力它们在高温和高压领域的应用，推进极端条件下电解液的开发。

【文章链接】

Chaocang Weng, Liang Ma, Bingfang Wang, Fanyue Meng, Jiaqi Yang, Yingying Ji, Botian Liu, Wenjie Mai, Sumei Huang, Likun Pan, Jinliang Li, Single-solvent ionic liquid strategy achieving wide-temperature and ultra-high cut-off voltage for lithium metal batteries

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103584

【通讯作者简介】

黄素梅， 华东师范大学物理与电子科学学院教授、博导。1987年于华中理工大学物理系获硕士学位‚专业为固体物理。2000年新加坡国立大学（National University of Singapore ）电子工程系获博士学位。2000年至2002年在新加坡数据存储所（Data Storage Institute of Singapore）作博士后研究工作‚2002年至2004年在新加坡数据存储所任高级工程师。2004年8月加入华东师范大学担任教授。近年来的研究工作主要包括薄膜太阳能电池‚局域表面等离子体子的近场光学、稀土元素光物理和光化学、太阳能电池材料光电机理、新型光电子材料与器件等研究。在国际学术刊物Applied Physics letters 和Journal of Applied Physics等发表了100余篇SCI ‚并获得多项LED芯片、太阳能电池专利。

潘丽坤， 华东师范大学物理与电子科学学院教授、博导。1997、2001和2004年分别毕业于复旦大学应用化学专业（学士）、中科院声学研究所信息与信号处理专业（硕士）、新加坡南洋理工大学微电子专业（博士）。科睿唯安2021-2023全球高被引科学家，爱思唯尔2021-2023年中国高被引学者。已发表SCI论文400余篇，被引用31000多次，H指数 102。授权了中国发明专利30余项。目前担任 Journal of Colloid and Interface Science等期刊的编委。

黎晋良， 暨南大学物理学系副研究员，2012和2017年分别毕业于华南理工大学电子科学技术专业（本科）和华东师范大学材料与光电子专业（博士），随后加入暨南大学从事博士后工作，2020年入职暨南大学物理学系，从事Li/Na/K/Zn离子电池电极材料开发与电解液设计方面工作。相关成果以第一作者或通讯作者在Angew. Chem.、CCS Chem.、Adv. Energy Mater.等高水平期刊发表论文50余篇，论文引用超过5400次, H指数40，入选全球前2%顶尖科学家（斯坦福大学）。

广东省自然科学奖二等奖、山西省科技进步奖二等奖、中国分析测试协会科学技术奖一等奖获得者；已或授权中国发明专利6件，申请中国发明专利1件，主持1 项国家级自然科学基金，2项中国博士后基金，2项广州市基础研究基金。入选2020年度中国博士后科学基金资助者选介。担任广东省材料研究学会青委会委员，国际学术期刊Batteries编委，中文期刊《材料研究与应用》青年编委，国际学术期刊Rare Metals青年编委。