3317-67-7/Angew. Chem. ：酞菁鈷電解液添加劑構(gòu)建分子隔離膜用于高穩(wěn)定鋰金屬電池

金屬鋰負(fù)極以極高的容量(3860 mAh·g-1)和最負(fù)的電勢(-3.040 V vs 標(biāo)準(zhǔn)氫電極)而被稱為二次鋰電池“圣杯”電極。但是，鋰沉積過程中陰離子的不均勻消耗引發(fā)空間電荷效應(yīng)，產(chǎn)生鋰枝晶，嚴(yán)重阻礙了鋰金屬電池的實際應(yīng)用。

近日，江蘇師范大學(xué)賴超教授和加拿大國立科學(xué)研究院孫書會教授，張改霞博士團(tuán)隊合作，在前期成功開發(fā)辛基苯基聚氧乙烯（OP-10）電解液添加劑基礎(chǔ)上（Nature Communications, 2020, 11, 643），報道了一種具有平面分子結(jié)構(gòu)的鈷酞菁新型電解液添加劑，以平埔的方式緊密吸附在鋰負(fù)極表面上形成致密的分子層用于高性能的鋰金屬電池。

DFT理論模擬計算表明，相較于碳酸乙烯酯溶劑（EC），酞菁鈷電解液添加劑優(yōu)先以平鋪的方式層層吸附在鋰負(fù)極表面，形成平面分子級圖層（PMCL）。這種PMCL不僅可以與鋰離子絡(luò)合以降低空間電荷效應(yīng)，提升鋰離子的轉(zhuǎn)移數(shù)（0.69），還可以抑制鋰負(fù)極和電解質(zhì)之間的副反應(yīng)。此外，該工作還利用同步輻射（XANES）技術(shù)揭示產(chǎn)生的穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面由非晶LiF和Li2CO3組成。因此，Li|Li對稱電池在3 mAh cm-2的高電鍍?nèi)萘肯略?00 h以上表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。

為了更好的說明酞菁鈷添加劑的實際應(yīng)用優(yōu)勢，該工作組裝了鋰|磷酸鐵鋰（Li|LiFePO4）全電池并測試了其性能。在1.2 mg cm-2的低負(fù)載量下，使用酞菁鈷添加劑后，全電池可穩(wěn)定循環(huán)1000周。此外，使用酞菁鈷電解液添加劑的全電池還可以在貧電解質(zhì)條件下（3 μL mg-1），穩(wěn)定循環(huán)200周，其容量保持率高達(dá)92.7%。

最后利用掃描電鏡和同步輻射（XAFS）技術(shù)研究并揭示了酞菁鈷電解液添加劑對Li|LiFePO4全電池在充放電過程中的保護(hù)機(jī)理。

該工作為通過表面分子層覆蓋策略為同時構(gòu)建穩(wěn)定的正負(fù)極界面開辟了一條新途徑。

論文信息：

Cobalt Phthalocyanine Derived Molecular Isolation Layer for Highly Stable Lithium Anode

Hongliu Dai,Jing Dong,Mingjie Wu,Qingmin Hu,Dongniu Wang,Lucia Zuin,Ning Chen,Chao Lai,Gaixia Zhang,Shuhui Su