一種新型電解液“Solvent-in-Salt”及其在鋰-硫電池中的應用
鋰電池體系作為一種高效的儲能裝置備受青睞，已經(jīng)廣泛用于便攜式電子器件（手機、筆記本等），目前正應用于新能源電動汽車、智能電網(wǎng)及清潔能源（風能和太陽能）大規(guī)模儲能中，從而降低人類對化石能源的過度依賴，減低二氧化碳及相關(guān)廢棄排放，減少溫室氣體對全球氣候的影響以及對城市的空氣污染。
隨著人們對日用電子消費產(chǎn)品以及電動車要求不斷提升，迫切需要發(fā)展更高能量密度的電池體系。室溫可充放鋰-硫二次電池 (Li-S batteries) 的理論能量密度為2654 Wh/kg, 是鋰離子電池(LiCoO2/C, 脫鋰0.5，理論能量密度360 Wh/kg)理論能量密度的7倍?？沙浞配嚵螂姵仡A計能量密度可以達到350-400 Wh/kg, 有望顯著提高電動汽車的續(xù)航里程。制約可充放鋰硫電池應用的兩個核心技術(shù)難題為：在充放電過程中如何抑制中間產(chǎn)物多硫離子的溶解和如何穩(wěn)定金屬鋰負極避免產(chǎn)生鋰枝晶。
最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）的清潔能源實驗室E01組胡勇勝研究員和博士生索鎏敏等提出了一類新型雙功能電解液體系“Solvent-in-Salt”(SIS)，并將其應用于鋰硫電池中，同時解決了多硫離子溶解和穩(wěn)定金屬鋰負極兩項關(guān)鍵技術(shù)難題。通過大幅提高鋰鹽濃度，將大量自由溶劑分子與鋰鹽絡合，有效抑制了多硫離子在電解液中的溶解，有效避免了充電過程中溶解于電解液的多硫離子形成的“多硫離子穿梭”效應，防止了電池的嚴重過充現(xiàn)象，循環(huán)庫侖效率接近100%，循環(huán)穩(wěn)定性明顯提高。與此同時，較常規(guī)低鹽濃度電解液體系而言，由于高鹽濃度電解液體系具有高的陰陽離子濃度 (7 mol LiTFSI / 1L DOL-DME)，高的鋰離子遷移數(shù)（0.73）以及較高的粘度 (72 cP)，有效避免了由于金屬鋰沉積不均勻所帶來的金屬鋰枝晶生長（高鋰離子濃度有利于金屬鋰負極的均勻物質(zhì)交換；高的陰離子濃度和粘度，有助于降低金屬鋰負極表面由于陰離子耗盡所產(chǎn)生的空間電荷層，從而降低了金屬鋰非均勻沉積的電場驅(qū)動力；高粘度體系在一定程度上增加了鋰枝晶生長的阻力。），使得金屬鋰負極在循環(huán)過程中的穩(wěn)定性大大提高。
相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在近期【Nature Communications, 4, 1481, DOI: 10.1038/ncomms2513 (2013)】上。
上述工作得到了科技部儲能材料研究創(chuàng)新團隊、科學院知識創(chuàng)新工程能源項目群方向性項目、科學院百人計劃、基金委的大力支持。
文章鏈接：
1. “A new class of Solvent-in-Salt electrolyte for high-energy rechargeable metallic lithium batteries”
圖1：一種鋰硫電池用新型雙功能“Solvent-in-Salt”電解液示意圖
圖2：Solvent-in-Salt（LiTFSI in DOL-DME）體系的物理化學性能。a) SIS體系電解液分布圖；b) 不同鋰鹽濃度電解液體系電導率隨溫度變化；c) SIS-7#: 7mol/1L體系室溫電導率、粘度以及鋰離子遷移數(shù)的變化；d) 電解液鋰鹽濃度對玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的影響。
圖3：SIS體系用于鋰硫電池的電化學性能（2#: 2mol/1L, 4#: 4mol/1L, SIS-7#: 7mol/1L）。a) 首周充放電曲線; b) 100周循環(huán)曲線；c) 循環(huán)庫侖效率（效率=充電容量/放電容量）；d）倍率性能。
圖4A：多硫離子溶解實驗
圖4B：多硫離子溶解析出實驗
圖4：A.多硫離子溶解實驗: a)將等量硫化鋰和硫構(gòu)成的多硫化物Li2S8 加入到等體積不同濃度電解液當中去，觀察隨著時間變化多硫離子溶解程度。顏色越深溶解越嚴重，無色透明為不溶解；b)通過紫外可見光譜對圖a中經(jīng)過長時間溶解實驗的電解液取樣并測試其在可見光吸收區(qū)的吸收譜以判別是否有多硫離子溶解。B.多硫離子溶解析出實驗: 在5mL的4#電解液體系中加入等量硫化鋰和硫構(gòu)成的多硫化物Li2S8, 靜置20天讓其充分溶解，隨后加入4g 鋰鹽LiTFSI, 充分攪拌后靜置觀察隨時間變化溶液顏色變化情況，結(jié)果表明加入鋰鹽后溶液逐漸變?yōu)橥该?，說明溶解于電解液的多硫離子在高鋰鹽濃度情況下析出。
圖5：不同電解液體系經(jīng)過長循環(huán)后金屬鋰負極表面形貌變化。a) 未經(jīng)過充放電的新鮮鋰負極；b) 2#電解液經(jīng)過278周循環(huán)；c) 4#電解液經(jīng)過183周循環(huán)； d) SIS-7#電解液經(jīng)過280周。金屬鋰負極沉積-溶解實驗并以此為依據(jù)估算了鋰負極平均循環(huán)效率計算。 e) 2#電解液（鋰負極平均庫侖效率小于30%）；f) 4#電解液（鋰負極平均庫侖效率小于50%）；g) SIS-7#電解液（鋰負極平均庫侖效率71.4%）。
