青島儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院研究人員對鋰金屬電池用電解液進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計了含有添加劑的雙鹽電解液、改性聚碳酸亞乙烯酯基高電壓聚合物電解質(zhì)以及剛?cè)岵?jì)的高鋰離子遷移系數(shù)的復(fù)合電解質(zhì)，對開發(fā)高能的鋰金屬二次電池的具有較好的指導(dǎo)意義。

1研究背景

隨著經(jīng)濟(jì)全球化以及科技的快速發(fā)展，人類對能源的需求日益增加，尤其是近年來電動汽車和移動電子設(shè)備的蓬勃發(fā)展，高能量密度儲能材料成為科學(xué)研究的焦點。盡管傳統(tǒng)的以石墨為負(fù)極材料的插層式鋰離子電池在電子設(shè)備產(chǎn)品市場中占據(jù)重要地位，然而它的能量密度已經(jīng)接近其上限，逐漸無法滿足消費者的使用需求。與插層式的鋰離子電池相比，以金屬鋰直接作為負(fù)極使用的鋰金屬電池（如Li-S，Li-O2等電池體系）在能量密度方面表現(xiàn)出得天獨厚的優(yōu)勢，已經(jīng)成為近期的研究熱點。然而，金屬鋰陽極在使用過程中表現(xiàn)出許多亟待解決的實際問題。首先，它具有極高的電化學(xué)還原性能，在充放電過程中極易與電解液反應(yīng)，大量消耗活性鋰和電解液。其次，不可控的枝晶生長和電極體積變化以及逐漸積累的副反應(yīng)產(chǎn)物和“死鋰”始終是金屬鋰陽極面臨的嚴(yán)峻問題。

依托中科院青島能源所建設(shè)的青島儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院（以下簡稱“青島儲能院”）研究人員深入分析了鋰金屬的特性，考慮到實際應(yīng)用中的客觀情況，首先從原位實時形成角度來構(gòu)筑人造界面（Chem.Mater.2017,29,4682-4689），實現(xiàn)負(fù)極穩(wěn)定的鋰沉積和脫出；此外，工作人員對鋰金屬電池用電解液進(jìn)行優(yōu)化，分別設(shè)計了含有添加劑的雙鹽電解液（Small,2019,1900269），改性聚碳酸亞乙烯酯基高電壓聚合物電解質(zhì)（J.Mater.Chem.A,2019,7,5295-5304）以及剛?cè)岵?jì)的高鋰離子遷移系數(shù)的復(fù)合電解質(zhì)（Small,2018,14,1802244），對金屬鋰陽極的界面進(jìn)行有效的改性調(diào)控，對開發(fā)高能的鋰金屬二次電池的具有較好的指導(dǎo)意義。其中，實驗所用添加劑為青島儲能院自主開發(fā)的新型大陰離子結(jié)構(gòu)的全氟叔丁氧基三氟硼酸鋰（LiTFPFB）。

2研究進(jìn)展

隨著鋰金屬陽極保護(hù)工作的不斷深入，研究人員對鋰金屬電池中的鋰枝晶和“死鋰”導(dǎo)致的失效機(jī)理越發(fā)關(guān)注，但是由于兩者相似的形貌，如何觀測和區(qū)分兩者是一個非常有挑戰(zhàn)的課題，而這個問題對于了解電池失效機(jī)理和預(yù)測鋰金屬電池的循環(huán)壽命極其重要。為描述鋰金屬負(fù)極表面活性鋰物種分布，并區(qū)分鋰枝晶和“死鋰”，青島儲能院的研究人員受分析化學(xué)中熒光探針方法的啟發(fā)，設(shè)計了一種9,10-二甲基(DMA)熒光探針，通過傳統(tǒng)可見光學(xué)手段完成了這項任務(wù)，該技術(shù)得到了國際同行的肯定，相關(guān)成果撰寫了題目為“FluorescenceProbingofActiveLithiumDistributionforLithiumMetalAnode”的科研論文（AngewandteChemieInternationalEdition，2019，DOI：10.1002/anie.201900105）。

3研究意義

在電池進(jìn)行充放電循環(huán)后，金屬鋰負(fù)極表面可能會產(chǎn)生副產(chǎn)物積累（大量副產(chǎn)物包覆會使活性鋰失活，即產(chǎn)生“死鋰”）。因此研究人員將熒光小分子DMA均勻涂覆在循環(huán)后的鋰金屬表面。由于DMA可以與活性鋰發(fā)生熒光猝滅的反應(yīng)，而在副產(chǎn)物表面保持穩(wěn)定，因此可以表征鋰離子電池陽極表面活性鋰及其副產(chǎn)物在各種電解質(zhì)中的分布情況，為鋰離子電池電解質(zhì)的選擇提供了重要的參考依據(jù)；在鋰沉積溶解過程中，副產(chǎn)物的積累被可視化和半定量地識別出來，可以把電池的性能衰減與副產(chǎn)物的量聯(lián)系起來，實現(xiàn)對電池性能失效的防控預(yù)警；在循環(huán)后的鋰負(fù)極表面可以清楚地識別出鋰枝晶和“死鋰”的位置，能夠?qū)κщ姵剡M(jìn)行原因分析。這項技術(shù)為鋰金屬電池的失效機(jī)理分析提供了一個思路和方向。

相關(guān)系列研究獲得了國家自然科學(xué)基金杰出青年科學(xué)基金，新能源汽車固態(tài)電池項目，中科院深海先導(dǎo)專項，山東省重點研發(fā)計劃基金，中科院青年促進(jìn)會基金等項目支持。