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图一LiX/PEO(X=CM或TFSI)电解质的物理化学和电化学性质。
(a) LiTCM和LiTFSI的化学结构和相应膜的光学图像;
(b-d) 电解质的XRD、DSC曲线和TGA曲线;
(e) 离子电导率的Arrhenius曲线;
(f) 电解质在70 ℃下的负极稳定性。
Li电极的界面稳定性和Li沉积的形貌
图二Li电极在制备的电解液中的电化学行为。
(a-b)70 ℃下的聚合物电解质与25 ℃下的液体电解质,在0.1 mA cm-2下Li对称电池的循环曲线;
(c-d)25 ℃, LiX/DME电解质中沉积在Cu基底上的Li的SEM图像。
具有Li电极的SPE的界面稳定性决定了其长期循环性能,倍率性能,库仑效率和能量效率等。图2a显示了LiTCM/PEO和LiTFSI/PEO对称电池的Li沉积和剥离。EO/Li=20和16,基于LiTCM的SPE显示出更好的稳定性;基于LiTCM的SPE在EO/Li=32的稳定性迅速降低。相同的EO/Li,基于LiTCM的SPE的过电位低得多,表现出更好的动力学性能。为证实含LiTCM的SPE的优异循环稳定性,研究者进行了Li对称电池的循环测试,如图2b所示。LiTCM的Li对称电池循环超过200小时,比基于LiTFSI的电池高5倍,证明了LiTCM的SPE的循环稳定性。为阐明LiTCM电解质在控制Li和SPE之间的相容性以及伴随的电化学性能方面的作用和特性,分析了沉积在Li上的SEM。图2c显示了基于LiTCM和LiTFSI的液体电解质在Cu电极上沉积的Li的照片。结果表明LiTCM比LiTFSI呈现更光亮和更均匀的沉积物,这可以进一步解释LiTCM基电池的优良可循环性。
Li负极SEI膜的化学成分
图三(a)25 ℃,LiX/DME电解质中沉积在Cu基底上的Li的XPS图像;
(b)使用两种液体电解质,观察到的原子浓度与蚀刻时间的函数关系。
通过XPS进一步分析在Li电极上形成的SEI层的化学组成。如图3a所示,C 1s光谱显示基于LiTCM的电解质在287 eV和286 eV处有两个主峰,基于LiTFSI的电解质,主峰在288 eV和286 eV,分别为C-O和CH3OLi。LiTCM基电解质的C 1s光谱中的约285 eV的结合能是与氮原子有一个双键和与氮/碳原子有两个单键的碳原子。LiTCM基电解质的相应N 1s光谱中也观察到属于C=N键的特征峰。这些结果有力地表明,LiTCM的分解导致聚合物共轭C=N基团的形成,从而导致黑色的Li沉积物和具有良好完整性和机械强度涂层的SEI层。进一步的结果表明,基于LiTCM的电解质中形成的SEI层比基于LiTFSI的电解质更具离子导电性。进一步的,为证实上述XPS光谱的观察结果,使用Ar离子溅射进行LiTH电极上的元素组成的深度剖析。图3b显示了随着蚀刻时间的增加每种元素的原子百分比。结果表明SEI层在LiTCM电解质中形成比LiTFSI的更薄。
示意图1 本文提出的LiTCM盐的还原机制
图4a为相应元素的化学组成,随着蚀刻时间的增加,盐还原的产物多余溶剂还原产物,再次证明锂盐的减少发生在SEI层的内部,而外部主要通过溶剂还原来贡献。实验结果表明,在LiTCM基电解质中形成的SEI层具有良好的机械稳定性和高Li离子传导性。研究者还采用联苯作为还原剂对纯电解质盐进行化学还原,以模拟阴离子盐的电化学还原。TCM-和TFSI-在联苯基单阴离子存在下保持完整,将两个电子注入中性联苯分子后,获得高还原性的双自由基阴离子,其具有相对于Li/Li+的约0.15 V的极低还原电位。这表明Li电极上的电化学还原在热力学上是可行的,很好地证实了XPS关于盐的分解产物从SEI层的内部到外部减少的结果。
图四(a)在不同溅射时间下沉积在Cu衬底上的Li的C 1s光谱;
(b)LiX/DME电解质中沉积在Li表面形成的含C和N的物质的归一化百分比。
在SEM,XPS和化学模拟结果的基础上,LiTCM和LiTFSI基电解质中形成的SEI层的形态和化学组成如图5所示。从SEI层的最内层到最外层,有机溶剂分解产生的-CH3和CH3OLi逐渐增加。LiTCM的减少导致C=N和Li3N的形成,其赋予SEI层高的机械完整性和Li离子传导性。
图五LiTCM和LiTFSI电解质中Li电极上形成的SEI层的示意图。
阴离子盐在多硫化物中的稳定性
Li-S电池的聚硫化物在醚类溶剂和PEO中具有良好的溶解性,并且是电解质强的亲核试剂。通常,锂盐和溶剂在多硫化物(PS)存在下要求是化学惰性的,这是由于PS的不可逆损失会导致电池性能的恶化。图6a显示了在添加0.1 μm Li2S6/DME溶液前后LiX /DME(X = TCM,TFSI)电解质的外观。添加Li2S6/DME后,LiTFSI基电解质从无色变为深褐色,证实了LiTFSI与PS的优异稳定性。基于LiTCM的电解质则显示出略微增强的颜色,UV-vis光谱证明了这种细微差别,这表明LiTCM可能与PS发生反应。研究者采用密度泛函理论(DFT)模拟这一可能的反应,如图6c所示。结果表明TCM-和PS之间倾向于发生反应,并且是以FTFSI-中观察到的可逆方式。由于结构的不对称,TCM-和PS的反应是电化学可逆的并且能在PEO中充分溶解,因此可能导致Li-S电池更佳的倍率性能。
图六阴离子盐对多硫化物的稳定性
(a)在室温下加入PS 60小时前后1M LiX/DME和空白DME溶液的表现;
(b)添加PS溶液的归一化紫外可见吸收光谱;
(c)DFT理论计算的中间产物。
电化学性能
图七(a)70 ℃下使用LiX/PEO电解质的Li-S电池的放电/充电特性;
(b-c)不同盐含量的LiTCM/PEO电解质的倍率性能;
(d)LiX/PEO电解质中在EO/Li为20下的Li-S电池的循环性能。
Li/电解质界面的质量对Li-S电池性能有显着影响。研究者对组装的电池进行电化学测试,结果如图7所示。放电/充电曲线显示典型的双平台S还原反应,表明在LiTCM/PEO基的Li-S电池中形成长链PS和最终放电产物Li2S2和Li2S。图7b-c显示含有LiTCM基电解质的电池与各种Li盐含量的可循环性。尽管EO/Li比为32的Li-S电池在循环开始时具有最高的面积比容量,但EO/Li比为20的电池可获得最稳定的循环。此外,基于LiTCM的电池,0.1C下,EO/Li比为32和20在第5圈容量稳定在约0.7 mAh cm-2,而EO/Li比率为16时则显示出较低的值。如图1c所示,由于TCM-的结构刚性,LiTCM的盐含量增加会增加LiTCM/PEO的Tg,LiTCM/PEO的溶解度随着盐含量的增加而降低。在不同的倍率下,两种电解质的面积比容量相当。然而,含有LiTCM盐的电池在0.2 C的倍率下具有更稳定的循环,CE为约100%,这很可能是由于基于LiTCM的电池中的形成的离子导电和机械稳定的SEI层。
小 结
本文证明了电解质阴离子盐对开发下一代高能全固态Li-S电池(ASSLSB)的作用,并将无氟和高性能阴离子盐:三氰基甲烷[C(CN)3-,TCM-]成功应用于ASSLSB中。与现有技术的基于氟化LiTFSI的电解质相比,阴离子盐产生坚固、高度覆盖和离子导电的钝化层,而基于LiTCM/PEO电解质的Li-S电池具有优异的Li界面稳定性和低的过电位,高的放电比容量800 mAh g-1和高面容量0.75 mAh cm-2。在0.2 C下具有更高的循环稳定性和更优的库伦效率以及优异的倍率性能。因此,基于LiTCM电解质为代表的典型非氟电解质盐,表现出与Li负极和S正极良好的稳定性。进一步改进的方法可以包括:(1)添加N3-衍生物,其在Li上还原为高导电和高等效体积的Li3N;(2)复合S正极的结构设计,建立连续的电子传导通道,减少Li+扩散的传输距离。该项工作为开发不含氟的阴离子电解质,优化ASSLSB性能以及开发新一代锂充电电池的提供了一条新的路径。
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