中科院物理所Energy Storage Materials:有利于高温下稳定运行的锂金属电池液态电解质

【引言】

可充电锂金属电池由于高理论能量密度而引起广泛关注。对于实际应用，由于复杂的应用环境，在安全性和循环寿命方面，锂电池能在高温下稳定运行是负极为金属锂或包含金属锂的电池必须要解决的问题。在实际应用中，LIB的热失控往往是由电池的高温运行引起。通常，商用LIB的运行温度在-20~55℃的范围内。高于55^oC，一些副反应的发生使得LIB的热失控风险增加。例如，LiPF₆在55℃以上开始分解产成HF，与正负极表面反应，逐渐引起热失控。一般锂离子电池中的固体电解质界面（SEI）的部分成分在65℃以上逐渐开始分解。此外，碳酸二甲酯（DMC），碳酸二乙酯（DEC）或碳酸甲乙酯（EMC）等碳酸酯溶剂的使用也会由于其挥发性和高度易燃性而将电池的运行温度限制在低于60℃之内。如果Li金属电池能够在55℃以上稳定运行，它将有效地降低热失控风险并简化电池的热管理。

【研究进展简介】

近日，中科院物理所耿振博士（第一作者）、李泓研究员等（通讯作者）报道了一种通过将两种热稳定性好的Li盐（即LiTFSI 和LiDFOB）一起加入到具有高沸点/闪点EC和PC的碳酸盐溶剂的新电解液体系，还进一步添加少量LiPF₆以防止铝(Al)集流体的腐蚀。结果表明，新型电解液展示了较为稳定的高温循环性能，这种电解液循环过程中也有效抑制了锂枝晶的形成。基于这种电解质的Li金属电池（Li/LiCoO₂）在80℃的高温下测试 循环100次容量保持率达到90%。此方法为发展高能量密度的混合固液电解质或基于原位固态化的全固态金属锂电池提供了一种电解质的设计思路。如果未来的电池能同时在低温和高温正常工作，可以有效降低电池热失控风险，有利于去掉目前在动力电池中占有较高质量和体积的液态冷却系统。相关研究成果“Lithium Metal Batteries Capable of Stable Operation at Elevated Temperature”为题发表在Energy Storage Materials上。

【图文导读】

图一电解液的稳定性能

（a）使用不同电解质的扫描速率为0.1mV/s的Li/Al电池的LSV曲线

（b）具有2 Ah容量（充电-放电过程前）的Li/LiCoO₂软包电池的ARC测试的温度-时间曲线，加热温度步长为10℃，然后等待30分钟。

图二电化学性表征

（a，b）在（a）25℃和（b）80℃下使用1M LiPF₆电解液的Li/LiCoO₂电池充放电曲线

（c，d）在（c）25℃和（d）80℃下使用0.8M LiTFSI-0.2M LiDFOB-0.01M LiPF₆电解液的Li/LiCoO₂电池充放电曲线

（e）使用不同电解液在80℃下循环Li/LiCoO₂电池的性能

（f）具有2 Ah容量（70％充电状态）的Li/LiCoO₂软包电池的ARC测试的温度 -时间曲线，加热温度步长为10℃，然后等待30分钟。

图三锂金属在不同电解液中循环后的形貌表征

（a-d）锂金属在使用1M LiPF₆电解液的Li阳极的表面SEM图像和截面图

（e-h）锂金属在使用0.8M LiTFSI-0.2M LiDFOB-0.01M LiPF₆电解液的Li阳极的表面SEM图像和截面图

图四半电池性能表征

（a-b）锂对称电池的循环性能

（c-e）锂负极的3DAFM图像

图五在不同电解液中锂金属表面的SEI的成分表征

（a，b）使用1M LiPF₆电解液，在25℃下100次循环后的Li阳极的C 1s和（b）O 1s XPS图像

（c，d）使用0.8M LiTFSI-0.2M LiDFOB-0.01M LiPF₆电解质，在25℃下100次循环后，Li阳极的C 1s和（d）O 1s XPS图像

（c，d）在Li负极上的SEI的成分变化

【小结】

总之，通过利用热稳定的Li盐（即LiTFSI，LiDFOB）和具有高沸点/闪点的有机碳酸酯溶剂（即EC，PC）设计了一种新型耐高温电解液。还添加少量LiPF₆用来防止Al集流体的腐蚀。结果表明，这种电解液具有良好的高温性能，同时还能有效抑制Li枝晶的形成。基于0.8M LiTFSI-0.2M LiDFOB-0.01M LiPF₆电解液的Li/LiCoO₂电池在高达80℃的高温下显示出优异的循环性能。在1.2 mA/cm²的电流密度下和100次循环后，它具有90％的高容量保持率。其克服了传统锂离子电池的工作温度上限（即55-60℃），这有可能降低热失控风险并简化Li金属电池的热管理。为可充电锂金属电池的混合固液电解质体系的设计提供了一种技术选择。

文献链接：“Lithium metal batteries capable of stable operation at elevated temperature”

本文由材料人编辑部学术组微观世界编译供，论文通讯作者李弘研究员修正供稿。

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