商业碳酸酯电解液的氧化稳定性较差，以及电极-电解液界面（EEI）的过度生长，很大程度上阻碍了高电压锂金属电池的发展。基于此，2024年10月10日，南开大学陈军院士/严振华副研究员在国际期刊Journal of the American Chemical Society发表题为《Uncovering the Crucial Role of Chelating Structures in Cyano-Alkyl-Phosphate Electrolytes for High-Voltage Lithium Metal Batteries》的研究论文。在此，研究人员通过设计Li+溶剂螯合溶剂化结构来抑制溶剂分解，以氰基烷基磷酸酯为例，解决了这些问题。理论和实验研究证实，膦酸二乙酯中的-P═O和-C≡N基团与Li+配位能力相当，促进了七元螯合结构的形成。这种独特的溶剂化结构有助于形成具有高稳定性和坚固的阴离子衍生的富含无机物的EEI，从而阻止电解液进一步分解。此外，氰基与正极中的过渡金属（TM）具有很强的络合作用，可抑制TM溶解，从而确保了正极颗粒的结构稳定性。利用这种特殊的螯合结构，所设计的电解液在高压电池中具有良好的锂沉积/剥离可逆性和氧化稳定性。因此，LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2（NCM811）正极在运行300次循环后展现出高容量保持率（90%）。在严苛的测试条件下，容量为1.4 Ah（基于电池总质量约295 Wh kg–1）的4.6 V Li||NCM811软包电池在80次循环后保持了70%的容量。
这项工作为电解液的溶剂化结构与氧化稳定性之间的关系提供了新的见解，对高电压锂金属电池的发展具有重要意义。
图文解读
图1：不同电解液中Li负极的形貌和组成
图2：高电压下NCM811正极的结构稳定性
Uncovering the Crucial Role of Chelating Structures in Cyano-Alkyl-Phosphate Electrolytes for High-Voltage Lithium Metal Batteries, Journal of the American Chemical Society, 2024. https://doi.org/10.1021/jacs.4c07739
发稿人：
来源：功能材料与能源化学创新团队
时间：2024-10-14
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