锂金属电池代表了下一代储能领域的一项有前景的技术，但由于锂枝晶的形成和阴极的开裂，它们的循环寿命仍然很短。氟化溶剂可以通过提高固体电解质界面中的LiF含量来改善电池寿命；然而，氟化溶剂的高成本和环境问题限制了电池的可行性。
近日，马里兰大学王春生教授通过1,2-二甲氧基乙烷的甲基化设计了一系列无氟溶剂，它们可通过阴离子还原促进无机富LiF界面形成，并实现高氧化稳定性。研究显示，阴离子衍生的LiF界面能抑制锂阳极上的锂枝晶生长，并在高压运行下最大限度地减少阴极开裂。此外，这项工作通过原位技术和模拟研究了Li+-溶剂结构，并得出界面组成与电化学性能之间的相关性。总体而言，甲基化策略为电解液工程提供了向高压电解液发展的替代途径，同时降低了对昂贵的氟化溶剂的依赖。
文章要点：
1. 这项工作通过选择性甲基化DME α-H原子来评估一系列溶剂，以调节分子的溶剂化能力、离子传输、Li+去溶剂化速率和电化学稳定性。
2. 通过原位拉曼光谱、一维多核和二维异核核磁共振光谱以及分子动力学模拟，作者证明了2.0 M LiFSI-DEP电解液以聚集体为主的溶剂化结构。
3. 研究发现，单盐、单溶剂2.0 M LiFSI/1,2-二乙氧基丙烷（DEP）电解液可使锂沉积/剥离CE达到约99.7%。当与高压NCA阴极配对时，还电解液实现了99.8%的高循环CE，经过600次循环后保持80%的容量。此外，具有5 g AhE−1贫电解液（4.0 mAh cm−2，N/P = 1）的100 mAh Li||NCA（4.0 mAh cm−2，N/P = 1）软包电池在150次循环后保持95%的容量。
3. 最后，2.0 M LiFSI/DEP电解液使无阳极的Cu||NCA（4.0 mAh cm−2，N/P = 0）纽扣电池实现了创纪录的250次循环。
4. 这项工作提出的甲基化方案为锂金属电池提供了一种设计策略，该策略既稳定了锂金属阳极和NCA阴极，又不会牺牲离子电导率、增加成本或造成环境问题
图1 对DME分子进行甲基化设计以提高电化学性能
图2 使用不同溶剂的2.0M LiFSI电解液的电化学性能
图3分子动力学研究
图4 全电池性能
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41557-024-01497-x
来源：高分子科学前沿