锂离子电池的电解质设计，最新Nature sustainability！

一、【导读】

锂离子电池(LIBs)通过支持清洁能源生产、绿色交通和更有效的能源利用，在实现向可持续社会发展的过渡中发挥着至关重要的作用。实现低碳和绿色未来将依赖于高能量密度(高容量和高电压)、高环境友好性和低成本的锂离子电池的发展。然而，目前LIBs的化学性质需要钴(Co)等元素，随着时间的推移，钴可能会变得越来越稀缺，无钴锂离子电池的研究十分有必要。

二、【成果掠影】

日本东京大学Atsuo Yamada团队构建了一个LIB，将无钴阴极与具有4.9 V高截止电压的低氧化硅（SiO_x）阳极配对 ，并维持前所未有的1000次循环。这种有利的电极组合的基础是基于3.4 M LiFSI/FEMC的合理电解质设计，具有移位电位，有助于在阳极上形成坚固的钝化层，并促进电解质在还原性和氧化性降解中的稳定性。该电解质配方为实现可持续和高性能的锂离子电池提供了一条途径，同时这一概念也可以应用于其他电化学能源技术。相关研究成果以“Electrolyte design for lithium-ion batteries with a cobalt-free cathode and silicon oxide anode”为题发表在国际著名期刊Nature sustainability上。

三、【核心创新点】

1、构建的无钴阴极与具有4.9 V高截止电压的低氧化硅（SiO_x）阳极配对 ，并维持前所未有的1000次循环；

2、高电位阴极在热力学上提高了氧化稳定性，在动力学上阻止了铝的腐蚀和过渡金属的溶解，从而解决了高电位阴极引起的一些问题。

四、【数据概览】

图1使用3.4 M LiFSI/FEMC实现SiO_x|LiNi_0.5Mn_1.5O₄电池稳定运行的电位图© The Author(s) 2023

图2电解质的结构© The Author(s) 2023

图3 SiO_x循环稳定性的提升© The Author(s) 2023

图4 SiO_x表面的钝化© The Author(s) 2023

图5高电位下稳定的阴极运行© The Author(s) 2023

图6SiOx|LiNi0.5Mn1.5O4全电池的优异的长期稳定性 © The Author(s) 2023

五、【成果启示】

利用3.4 M的LiFSI/FEMC电解质，通过优化全电池的整体电位图，实现了SiO_x|LiNi_0.5Mn_1.5O₄电池在1000次循环以上的高能量密度且可持续的长期稳定循环。3.4 M LiFSI/FEMC溶液结构明显，大多数Li⁺和FSI^-离子广泛协同形成密集的离子对网络。这使得电解质中的Li⁺不稳定，并使大量具有修饰电子态的阴离子接近带负电荷的SiO_x阳极。这有助于SiO_x阳极的稳定循环，通过提高SiO_x的热力学反应势和形成高功能的阴离子衍生的SEI。此外，由于高电位阴极在热力学上提高了氧化稳定性，在动力学上阻止了铝的腐蚀和过渡金属的溶解，从而解决了高电位阴极引起的一些问题。这些先进的功能是由于溶剂氧化的潜力增加和溶剂氟化的溶剂化能力减弱以及电解质的溶解能力差。虽然提出的电解质策略有望促进经济和绿色电极材料的使用，但下一代电池系统的商业化仍然存在挑战。进一步优化和发展电极组成和电池设计，包括具有高氧化和还原稳定性的薄分离器、具有高导电性的高耐氧化碳添加剂、先进的粘合剂和功能电解质添加剂、钝化电极，以及设计电池包设计，以提高电池的整体安全性，将有助于提高电池在各种操作条件下的性能(低温和高温；快速充电，深度放电等)，从而促进实现高可持续高能量密度电池。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41893-023-01237-y

本文由小艺撰稿