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Angew. Chem. :束缚FSI-阴离子构筑一种自修复SEI膜提升锂金属电池性能


具有高比容量 ~3860 mAh g-1和低还原电位-3.04 V vs. SHE的锂金属一直被认为是高比能电池中理想的负极材料。但其活泼的热力学和电化学性质,使其与电解液一接触就发生化学反应,在后续充放电过程中又发生一系列的电化学反应。上述反应形成了初始的SEI膜,但其在反复的锂沉积/剥离的过程中无法应对锂金属负极的体积变化,从而发生不可避免的机械破损。尤其是在大电流密度和长循环过程中,这种膜的不断破裂、分解和重构,是造成锂金属负极库伦效率低和循环寿命短的重要因素。具有弹性的人工SEI膜可在一定程度上应对此问题,但长循环过程中仍然有锂枝晶的生长并刺穿SEI膜。因此,在负极表面构筑一种具有自修复功能的SEI膜是延长锂金属负极寿命的必要策略。


近日,江汉大学光电材料与技术学院王德宇教授团队联合上海大学刘杨、郭炳焜教授团队发表论文,采用具有乙烯基的咪唑阳离子-双氟磺酰亚胺盐的离子液体(1-乙烯基-3-甲基咪唑双氟磺酰亚胺盐,VMI-FSI)与聚环氧乙烷(PEO)在锂金属表面进行原位的光聚合交联,形成一种具有大分子阳离子骨架、束缚FSI-阴离子修复剂的聚合物膜(V-film,如图1所示)。通过膜中FSI-阴离子与锂金属的化学反应和电解液中FSI-阴离子的电化学反应在锂金属负极产生大量稳定的无机物,如LiF、Li3N等,修复SEI膜的破损。



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图1 本工作中构筑的人工SEI膜和作用机理示意图。

鉴于FSI-阴离子能在锂负极上产生大量的稳定无机组分如LiF和Li3N,可有效地钝化锂金属,适用作自修复剂;乙烯基阳离子通过聚合可以在负极上形成稳定的SEI膜,且咪唑离子液体与电极具有良好的相容性,因此采用VMI-FSI离子液体和PEO进行光聚合交联,形成聚合物阳离子框架,利用离子键束缚FSI-的一种新颖的自修复SEI膜。该自修复V-film膜应用在正极负载量为16.3 mg cm-2的LiCoO2/Li电池中,能使电池在3.0~4.5 V vs. Li+/Li之间稳定循环500周,仍有81.4 %的剩余容量,平均库伦效率高达99.97 %,累积面容量达到 ~1240 mAh cm-2(如图2所示)。

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图2 LiCoO2/Li全电池在(a-c)3.0-4.6 V vs. Li+/Li范围内的循环性能,(d-f) 3.0-4.5 V vs. Li+/Li范围内的循环性能

文信息

Binding FSI− to Construct a Self-Healing SEI Film for Li-Metal Batteries by In situ Crosslinking Vinyl Ionic Liquid

Yinping Qin, Hefeng Wang, Jingjing Zhou, Ruyi Li, Chun Jiang, Yi Wan, Xiaoyi Wang, Zhenlian Chen, Xiaolei Wang, Yang Liu, Bingkun Guo, Deyu Wang

文章的第一作者为上海大学博士研究生秦银平,共同通讯作者为刘杨副研究员、郭炳焜教授和王德宇教授。


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202402456



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