化學(xué)系夏永姚教授研究團隊在超低溫電池體系領(lǐng)域取得重要進展
當(dāng)前商業(yè)化的鋰離子電池主要使用碳酸酯類電解液，該類電解液在低溫下黏度增大，甚至部分凝固，導(dǎo)致離子電導(dǎo)率急劇下降，這大大限制了鋰離子電池的低溫性能，制約了鋰離子電池在航空航天、軍工、電動車等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。據(jù)文獻報道，鋰離子電池在-40oC時放電容量只有室溫容量的12%左右。添加低熔點的有機溶劑是改善電解液和電池低溫性能的一種有效途徑。乙酸乙酯具有較低的熔點（-84oC），可作為低溫電池的電解液溶劑，在-70oC下表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，但是其電化學(xué)穩(wěn)定窗口較窄（1.5V - 4.7V），高容量金屬鋰負極在上述電解質(zhì)溶液中不穩(wěn)定，電池體系的能量密度較低。高鹽濃度電解液能夠有效提高電解液的氧化/還原穩(wěn)定性，但是高濃度必然導(dǎo)致其低溫下黏度的增加。因此如何設(shè)計一種對金屬鋰穩(wěn)定、低黏度且高電導(dǎo)率的電解液，是實現(xiàn)低溫下高能量密度電池體系的一大挑戰(zhàn)。
近期，化學(xué)系夏永姚教授團隊通過優(yōu)化設(shè)計共溶劑電解液體系，成功實現(xiàn)了超低溫-70 oC條件下的高能量密度可充鋰金屬電池。
通過向高濃度電解液中引入低黏度的電化學(xué)惰性的稀釋劑（5m 雙三氟磺酰亞胺鋰/乙酸乙酯+二氯甲烷，體積比1：4），所得電解液體系不僅保留了高濃度電解液具有的寬電壓窗口，還解決了高鹽濃度帶來的高粘度難題。綜合利用光譜表征技術(shù)、分子動力學(xué)模擬及第一性原理等分析手段，揭示了電解液特殊的共溶劑結(jié)構(gòu)，鋰鹽與乙酸乙酯的溶劑化層結(jié)構(gòu)并未受到稀釋劑二氯甲烷的影響，這保證了該電解液具有較寬的電壓穩(wěn)定窗口（0-4.85V），低溫（-70oC）下保持較低的粘度（0.35Pas）和較高的離子電導(dǎo)率（達0.6mScm-1），并且表現(xiàn)出對金屬鋰的化學(xué)和電化學(xué)穩(wěn)定性?；诖穗娊庖航M裝得到的金屬鋰電池在超低溫-70oC時有較高的容量保持率（常溫容量的69%）。根據(jù)電池正負極活性物質(zhì)質(zhì)量之和，電池體系在超低溫時依然表現(xiàn)出較高的能量密度（178Whkg-1）和功率密度（2877Wkg-1）。這種電解液的設(shè)計不僅保證了優(yōu)異的電化學(xué)性能，還為極端工作溫度下的高能量密度電池體系提供了新的思路。
相關(guān)工作發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 5623-5627。文章第一作者為博士后董曉麗。該工作得到了復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系、能源與材料協(xié)同創(chuàng)新中心、國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金重點及面上項目、博士后創(chuàng)新人才支持計劃、博士后面上基金等項目的大力支持。
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