上海交大《Nature》子刊：含氟電解液添加劑的篩選策略

可充電鋰金屬電池(LMBs)是下一代應用中最有前途的高能量密度電池技術(shù)之一。然而，不穩定的鋰金屬負極和枝晶形成會(huì )引發(fā)快速的容量衰減和安全風(fēng)險，阻礙了LMBs的應用。構建LiF-rich SEI已被普遍認為是實(shí)現均勻鋰沉積/剝離和抑制鋰枝晶生長(cháng)的關(guān)鍵。由于其高楊氏模量、高表面能和豐富的鋰離子通量，LiF-rich SEI可以有效地分散局部電流，以均勻且低體積的方式調節鋰成核，減少苔蘚狀枝晶生長(cháng)的趨勢。創(chuàng )建LiF-rich SEI的努力主要集中在提高電解液中的F含量。使用高濃度電解液(HCE)和局部高濃度電解液(LHCE)可以原位形成富含LiF的SEI，但其高成本極大地限制了其可行性。相反地，在RCEs中引入含氟添加劑(< 10 vol. %)(記為F-additive)似乎是一個(gè)更好的方法。 理想的F-additive，應符合如下三大指標，即高F/C摩爾比(更有可能增強鋰金屬界面處LiF的形成);兼容RCEs(溶解于電解液中而不發(fā)生分離);低LUMO(實(shí)現完全還原和在最初的幾個(gè)循環(huán)中快速成膜)。然而，目前的主要瓶頸是當前的F-additive難以同時(shí)滿(mǎn)足上述三個(gè)指標。例如，FEC是一種良好的SEI成膜添加劑，但其F/C摩爾比(0.33:1)較低。氟化醚溶劑，如HFE、TFETFE等，雖然具有高F/C摩爾比，但在電化學(xué)上對Li+配位和F分解表現為惰性，因此它們迄今為止只被開(kāi)發(fā)為稀釋劑。鑒于配位溶劑中軌道能級的變化，具有高F/C摩爾比的全氟取代的酸酐可以被視為理想的F-additive候選。Lucht等人在早期報道中證明，氟化酸酐添加劑能夠參與SEI的形成，但SEI中的LiF含量并未如預期那樣提高[J. Electrochem. Soc. 167, 110506 (2020)]。這種現象主要是由于氟化酸酐的高化學(xué)穩定性。因此，調整全氟取代酸酐的C?F鍵使其更容易斷裂和還原，是開(kāi)發(fā)F-additive的關(guān)鍵，但相關(guān)研究很少被報道。 圖1. 選定的F-additive工作機制及其與LNO的協(xié)同效應 在此，上海交通大學(xué)變革性分子前沿科學(xué)中心梁正課題組研究了一系列具有不同F/C摩爾比的氟化添加劑，并證明了六氟戊二酸酐(F6?0)在常規碳酸酯電解液(RCEs)中形成LiF-rich SEI方面具有最佳潛能。為了改善F6