基于氟化硅氧烷溶剂锂金属电池电解液的设计及电化学性能

摘要

针对锂金属电池存在锂枝晶生长、不稳定的电极/电解液界面及在乙二醇二甲醚（DME）电解液中氧化稳定性差的问题.本文以三甲氧基（3,3,3-三氟丙基）硅烷（TFS）作为电解液溶剂,结合双氟磺酰亚胺锂（LiFSI）设计了一种新型的氟化硅氧烷电解液.采用密度泛函理论（DFT）和分子动力学模拟（MD）分析了电解液的锂溶剂化结构,通过充放电、循环性能和倍率性能测试对比分析了电池在氟化硅氧烷电解液和二甲醚（DME）电解液中的电化学性能,并通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线光电子能谱（XPS）对锂沉积形貌和电极界面成分进行分析.结果表明,TFS中的Si—O键比DME中的C—O键具有更高的键能,这可以增强电解液的氧化稳定性,并能匹配高电压正极材料.TFS溶剂与Li⁺之间呈现相对较弱的结合能力,这种独特的锂溶剂化结构有利于诱导FSI^-阴离子在锂金属负极表面优先分解,并形成富含LiF的固态电解质界面膜（SEI膜）,有效抑制了锂枝晶生长,稳定了电极界面,并提高了锂金属电池的循环寿命.在TFS电解液中,Li‖C u电池在1.0 mA/cm²电流密度下可以稳定循环300次,Li‖L FP全电池在2.0C倍率下经过400次循环后,其放电比容量没有出现明显的衰减,Li‖NCM811全电池在1.0C倍率下经过300次循环后放电比容量保持率仍达83%,显示出优异的循环稳定性.

关键词

锂金属电池 / 氟化硅氧烷溶剂 / 电化学性能 / 循环稳定性