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低温锂电池电解液研究取得新进展

研发快讯 2024年06月14日 13:33:17来源:中国科学院金属研究所 16503
摘要近年来,高理论比容量的金属锂作为负极的锂金属电池成为最有前景的高能量密度电池体系之一。

  【仪表网 研发快讯】新能源汽车、电网储能、极地科考、深空探测等领域的发展,对储能电池的能量密度和低温性能提出了更高的要求。近年来,高理论比容量的金属锂作为负极的锂金属电池成为最有前景的高能量密度电池体系之一。然而,由于传统酯基电解液中,锂离子与溶剂存在强相互作用,使得锂离子的迁移速度慢和电极/电解液界面稳定性差,限制了锂金属电池在低温环境的应用。
 
  近日,中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心先进炭材料研究部新型电化学储能与器件团队提出了电解液中的氧键设计策略,实现了锂金属电池在低温环境下优异的性能。研究发现电解液溶剂氧键的键能与离子配位、界面传输性能紧密相关,经过大量筛选,获得了弱氧键的四氢呋喃基醚类溶剂,并阐明了不同氧键的砜(S=O)、酯(C=O)、醚(C-O)类溶剂对电解液结构和温度适应性的影响规律。在此基础上,利用氢氟醚共溶剂与醚类溶剂分子间的氢键作用,削弱锂离子与四氢呋喃基醚类溶剂中氧配体的相互作用,构建了低温稳定的电解液结构,显著提高了电极/电解液界面反应动力学和界面稳定性。基于上述策略设计的低温电解液,实现了锂金属电池在室温、零下20℃和零下40℃环境下循环150圈均无明显寿命衰减,是目前文献报道中低温循环最稳定的锂金属电池之一,还可构建安时级高性能锂金属电池,为低温锂电池用电解液设计提供了新思路。
 
  该研究成果“Designing Temperature-Insensitive Solvated Electrolytes for Low-Temperature Lithium Metal Batteries”以封面论文发表于《美国化学会志》(Journal of the American Chemical Society)期刊,DOI: 10.1021/jacs.4c01735。中国科学院金属研究所朴楠副研究员为论文第一作者,浙江大学博士生王金泽为论文共同第一作者,中国科学院金属研究所李峰研究员为论文通讯作者。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院先导专项、中国博士后科学基金和辽宁省科技计划等项目的资助。
 
图1.低温电解液的设计。
 
图2. 低温锂金属电池的性能。 

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