锂金屬電池代表了下一代儲能領域的一項有前景的技術，但由于锂枝晶的形成和陰極的開裂，它們的循環壽命仍然很短。氟化溶劑可以通過提高固體電解質界面中的LiF含量來改善電池壽命；然而，氟化溶劑的高成本和環境問題限制了電池的可行性。
近日，馬裡蘭大學王春生教授通過1,2-二甲氧基乙烷的甲基化設計了一系列無氟溶劑，它們可通過陰離子還原促進無機富LiF界面形成，并實作高氧化穩定性。研究顯示，陰離子衍生的LiF界面能抑制锂陽極上的锂枝晶生長，并在高壓運作下最大限度地減少陰極開裂。此外，這項工作通過原位技術和模拟研究了Li+-溶劑結構，并得出界面組成與電化學性能之間的相關性。總體而言，甲基化政策為電解液工程提供了向高壓電解液發展的替代途徑，同時降低了對昂貴的氟化溶劑的依賴。
文章要點：
1. 這項工作通過選擇性甲基化DME α-H原子來評估一系列溶劑，以調節分子的溶劑化能力、離子傳輸、Li+去溶劑化速率和電化學穩定性。
2. 通過原位拉曼光譜、一維多核和二維異核核磁共振光譜以及分子動力學模拟，作者證明了2.0 M LiFSI-DEP電解液以聚集體為主的溶劑化結構。
3. 研究發現，單鹽、單溶劑2.0 M LiFSI/1,2-二乙氧基丙烷（DEP）電解液可使锂沉積/剝離CE達到約99.7%。當與高壓NCA陰極配對時，還電解液實作了99.8%的高循環CE，經過600次循環後保持80%的容量。此外，具有5 g AhE−1貧電解液（4.0 mAh cm−2，N/P = 1）的100 mAh Li||NCA（4.0 mAh cm−2，N/P = 1）軟包電池在150次循環後保持95%的容量。
3. 最後，2.0 M LiFSI/DEP電解液使無陽極的Cu||NCA（4.0 mAh cm−2，N/P = 0）紐扣電池實作了創紀錄的250次循環。
4. 這項工作提出的甲基化方案為锂金屬電池提供了一種設計政策，該政策既穩定了锂金屬陽極和NCA陰極，又不會犧牲離子電導率、增加成本或造成環境問題
圖1 對DME分子進行甲基化設計以提高電化學性能
圖2 使用不同溶劑的2.0M LiFSI電解液的電化學性能
圖3分子動力學研究
圖4 全電池性能
原文連結：
https://doi.org/10.1038/s41557-024-01497-x
來源：高分子科學前沿