清华大学再发一篇Nature Energy！
2023年6月23日，清华大学刘凯团队以“Designing an asymmetric ether-like lithium salt to enable fast-cycling high-energy lithium metal batteries”为题在Nature Energy系统性设计出了一种能够实现锂金属电池快速充电的新型锂盐，其能够在酯类电解液发挥极其重要的作用！
这也是清华大学在锂电池领域不到半个月时间内发表的第二篇Nature Energy，2023年6月8日，清华大学伍晖教授和李晓雁教授报道了一种用于连续预锂化锂离子电池负极的卷对卷电沉积和转移印刷技术，通过优化电沉积参数，在集流体上沉积了受控量的锂，详情见：
人物介绍
刘凯，清华大学副教授，博士生导师。2009年本科毕业于吉林大学，2014年获得清华大学博士学位，2014~2019年在斯坦福大学从事博士后研究工作。2019年加入清华大学至今。
刘凯副教授长期从事新能源高分子膜材料（如固态锂电池电解质膜，碱性离子膜）和电池安全材料研究。以第一作者或者通讯作者身份在国际知名学术期刊（如Science Advances，JACS， Joule， Angew Chem，Adv Mater等）发表论文 22篇，其中三篇论文为ESI高被引论文。
研究成果多次被Science，Nature Materials，NPG Asia Materials等学术刊物撰专文Highlight和报道，同时也被CNN，BBC和科技日报等媒介报道。曾获《麻省理工科技评论》 “35岁以下科技创新35人”(TR35)中国榜单，瑞士Dinitris N. Chorafas青年研究奖（全球每年遴选30人）、清华大学学术新秀等多项奖励。
课题组网站：https://www.chemeng.tsinghua.edu.cn/info/1095/2443.htm
随着当前含石墨锂离子电池接近其理论能量密度极限，锂（Li）金属电池（LMBs）由于满足对高能量密度电池的迫切需求而受到越来越多的关注。
然而，LMB的发展一直受到有限的循环寿命和安全问题的困扰，这些问题是由锂金属和电解液之间的副反应以及不稳定或亚稳的固体-电解质界面（SEI）形成的引起的，特别是对于碳酸酯电解液。
充分研究表明，锂金属负极上的SEI含有多种有机物，尤其是这种碳酸酯电解液衍生的低质量SEI加速了锂枝晶的生长、SEI开裂和电解液的连续分解，表现出较差的电化学性能。
锂金属腐蚀与电解液配方密切相关，负极上的SEI保护层是由锂金属/电解液的初始化学反应和电解液的反复电化学还原引起的。
已经提出了各种电解液工程方法来增强可循环性，包括混合不同的溶剂/盐，优化配比，结合多种添加剂，开发新型液化气体电解液，使用（局部）高浓度电解液 以及设计新的溶剂或盐。
所有这些策略都遵循一个假设，即在锂金属上构建富含无机物的高质量SEI可以增强SEI的机械强度并促进均匀的锂沉积，从而提高电化学性能。
尽管这些方法取得了实质性成果，但目前的LMB仍远远不能满足实际应用的要求。在实际条件下，LMB采用高负载正极活性材料（>3.5 mAh cm-2）、有限的锂和少电解液（<3 g Ah-1），这些苛刻的要求会加速枝晶生长、电解液耗尽和最终电池故障。
在此，清华大学刘凯副教授团队合成了一种不对称功能性锂盐（LiFEA），其衍生自商业化的双三氟甲基磺酰亚胺锂（LiTFSI），通过取代三氟甲磺酰单元（CF3SO2-） 与乙二醇基链。
结果显示，本文设计的LiFEA驱动Li+从磺酰氧原子解离到供电子醚部分，呈现出一种伪冠状醚样结合几何结构。与传统的锂盐不同，LiFEA具有带正电荷的醚部分和带负电荷的CF3SO2N-，类似于两性子的结构。它具有较大的偶极矩和高供体数（DN），并且可以提高Li转移数。
此外，LiFEA具有自清洁机制：清除SEI中一些不需要的有机物种，并逐渐丰富无机物种。凭借这些突出的优点，LiFEA基碳酸酯电解液显著改善了沉积锂金属的形貌、倍率能力和长循环寿命。
对于实用的锂金属软包电池，基于LiFEA的电解液可实现高达 ~310 Wh kg-1的高比能量密度和~410 W kg-1的放电功率密度。在快速循环条件下，软包电池循环100次后具有81%的容量保持率。
相关文章以“Designing an asymmetric ether-like lithium salt to enable fast-cycling high-energy lithium metal batteries”为题发表在Nature Energy上。
图2. LiFEA伪冠醚状折叠结构的实验与理论研究
图6. 大电流密度下的无枝晶沉积锂形貌和沉积/剥离可逆性
图7. 针对SEI的LiFEA自清洁概念和EC-QCM实验结果
图8. 不同电解液浸泡和循环后电解液的SEIs成分
综上分析可得，对于先进的LiFEA电解液，LiFEA具有两个关键功能：提高LiNO3在碳酸酯电解液中的溶解度和清洁SEI中不良的有机物。与RCE和LiFEA电解液相比，LiFEA电解液的C含量较低，但Li含量较高（图8d），表明成功建立了一个强大的富无机SEI。
由于自清洗LiFEA和有益的LiNO3添加剂之间的合作，先进LiFEA电解质促进了低信号的有机物质，强的氧化锂信号，含氮还原产物和氟化锂，赋予SEI增强的力学性能和改进锂离子扩散动力学。
需要注意的是，在LiFEA电解液中加入LiNO3确实可以在一定程度上增加氧化锂的含量，形成富含无机的SEI。不同的是，与RCE相比，LiFEA电解液中的LiFEA通过清除有机物的行为使一个强大的、富含无机的SEI成为可能。
正如预期的那样，先进的LiFEA电解质促进了锂的均匀沉积，降低了SEI对有机溶剂的亲和力，并抑制了高电流密度下碳酸盐电解质中严重的锂腐蚀问题。综上所述，具有伪冠醚状折叠结构的LiFEA具有理想的物理化学性质和自清洗机制，从而赋予碳酸盐基电解液优异的快速循环性能。
Xia, Y., Zhou, P., Kong, X. et al. Designing an asymmetric ether-like lithium salt to enable fast-cycling high-energy lithium metal batteries. Nat Energy (2023). https://doi.org/10.1038/s41560-023-01282-z
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