高能量密度、长寿命循环可充电锂金属电池

 

研究表明有望开发高能量密度可充电锂金属电池并解决醚基电解质的电化学氧化不稳定性问题。

 

普渡大学 Vilas Pol 能源研究 (ViPER) 小组进行的研究表明，有望开发高能量密度可充电锂金属电池并解决醚基电解质的电化学氧化不稳定性问题。

该研究发表在 2 月 10 日的Nature Communications上，这是一份由 Nature Portfolio 出版的同行评审、开放获取的科学期刊。戴维森化学工程学院研究生助理郑力是第一作者。

ViPER 集团的重点是为下一代更安全的锂离子、锂硫、钠离子、固态和超低温电池系统设计和制造高容量材料。

“旨在减少拟议碳排放目标的储能技术的快速发展，以及消费电子和电动汽车市场对储能系统的巨大需求。他们需要具有更高能量密度和更高安全性的下一代锂电池， ”自 2014 年以来一直领导普渡大学一流的电池制造、电化学和热安全测试实验室的化学工程教授 Vilas Pol 说道。

用高能锂金属代替传统的石墨负极材料是一种非常有前途的方法。然而，这种“圣杯”负极材料存在循环性和安全性低等具有挑战性的缺点。

“从新 LMB 技术的基础研究的角度来看，精心开发适用于有前途的阳极和阴极的合适的液体电解质化学至关重要，”Pol 说。

在他们的研究中，研究人员证明，当使用高度非极性的二丙醚作为电解质溶剂时，低浓度醚基电解质可以在工业可行配置下成功承受实用 LMB 的长期高压 (4.3 V) 运行。

“实现锂金属负极和高压正极同时使用稀醚基电解质的长期循环是这项研究的主要挑战，”李说。“尽管醚与锂金属负极具有合理的相容性，但它们的氧化稳定性较差。因此，我们的目标是扩展它们的高压能力。从分子水平上，我们证实了稀醚基电解质的溶剂化行为与它们在高压正极上的性能。”

通过详细的经典分子动力学 (MD) 模拟和密度泛函理论 (DFT) 计算以及多模式实验分析进一步解释了相关性。结果表明，调节醚基电解质的溶剂化结构可以重新排列溶剂化物质的降解顺序，并选择性地在阴极表面形成坚固的保护。它还调整表面双电层的组成以防止醚氧化。

这种独特的动力学抑制方法不同于使用超高浓度电解液或引入分子氟化以提高电解液稳定性等传统策略，后者会显着增加电池成本。与传统锂离子电池相比，ViPER 小组开发的 LMB 有望提高 40% 的能量密度。

这项研究工作由海军企业合作伙伴关系与国家卓越大学 (NEPTUNE)、海军研究办公室资助。