高性能鋰金屬電池電解液介紹

鋰金屬電池理論比容量可達(dá)3860mAh/g，電勢(shì)僅為-3.04V(vs 標(biāo)準(zhǔn)氫電極)，并具有非常優(yōu)異的導(dǎo)電性，是一種理想的高比能鋰離子電池負(fù)極材料。但是金屬鋰負(fù)極在充電的過(guò)程中由于局部極化的原因，會(huì)引起鋰枝晶的生長(zhǎng)，并由此導(dǎo)致庫(kù)倫效率降低和活性鋰的損失，甚至引起安全事故，極大的制約了金屬鋰負(fù)極的應(yīng)用。

金屬鋰二次電池的設(shè)計(jì)中，電池的性能高度依賴(lài)電解液的數(shù)量和充放電電流密度，在電解液數(shù)量較少時(shí)金屬鋰負(fù)極與NCM正極間的相互作用，會(huì)加速電解液在金屬鋰負(fù)極的分解，并形成高阻抗的SEI膜。但是過(guò)多的電解液不僅會(huì)造成電池能量密度的降低，也會(huì)增加電池的成本，因此開(kāi)發(fā)更加穩(wěn)定的電解液，以減少電解液的用量就顯得尤為關(guān)鍵。

金屬鋰負(fù)極來(lái)自FMC，添加FEC和DFEC的電解液循環(huán)性能得到了顯著的提升。FEC+DFEC則在300次循環(huán)后仍然保持了較好的循環(huán)穩(wěn)定性。循環(huán)溫度提高到45℃，F(xiàn)EC+DFEC混合溶劑電解液仍然保持了最好的循環(huán)性能，

采用FEC的電解液的倍率性能要好于DFEC和FEC+DFEC電解液。

采用FEC+DFEC混合體系的電解液表現(xiàn)出了更好的循環(huán)穩(wěn)定性，可穩(wěn)定循環(huán)超過(guò)250次，電池也沒(méi)有出現(xiàn)FEC電池那種容量衰降后再恢復(fù)的現(xiàn)象。這主要是因?yàn)镕EC+DFEC的混合電解液體系能夠在負(fù)極表面形成更為穩(wěn)定的SEI膜。

采用FE+DFEC體系電解液的電池在開(kāi)始循環(huán)時(shí)和循環(huán)200次后，電池不僅在容量上保持了良好的穩(wěn)定性，電池的充放電電壓也沒(méi)有出現(xiàn)明顯的衰降。

在EC基的電解液中，SEI膜的厚度更厚，并且含有較多的類(lèi)PEO的聚合物成分，這表明在循環(huán)過(guò)程中EC在金屬鋰表面的還原聚合，是導(dǎo)致金屬鋰電池衰降的主要原因。

相比于EC溶劑，F(xiàn)EC溶劑中形成的SEI膜除了包含一些有機(jī)成分之外，還包含了一些無(wú)機(jī)成分例如碳酸鋰、氟化鋰、烷基碳酸鋰等成分，這種復(fù)合成分的SEI膜不僅賦予了SEI膜的良好的彈性，能夠適應(yīng)金屬鋰的體積變化，同時(shí)也能夠讓Li+快速穿過(guò)SEI膜。

采用EC基電解液的金屬鋰負(fù)極表面存在大量的鋰枝晶，枝晶大大增加了金屬鋰負(fù)極的表面積，加速了電解液的分解。與之相對(duì)的是FEC和DFEC電解液的金屬鋰負(fù)極表面則呈現(xiàn)出片狀的金屬鋰，相比于針狀的鋰枝晶，電極的比表面積更小，從而有效地改善了電極的循環(huán)性能。

研究表明，相比于EC基電解液，F(xiàn)EC基和DFEC基電解液能夠在金屬鋰負(fù)極表面形成有機(jī)、無(wú)機(jī)成分復(fù)合的SEI膜，從而及保證了良好的機(jī)械穩(wěn)定性，也保證了Li+的遷移，從而有效地提升了金屬鋰電池的循環(huán)穩(wěn)定性。同時(shí)FEC+DFEC復(fù)合電解液體系在金屬鋰電池中，DFEC會(huì)首先分解形成穩(wěn)定的SEI膜，減少FEC的分解，剩余的FEC則能夠在循環(huán)中不斷修復(fù)SEI膜的損壞，從而進(jìn)一步提升電池的循環(huán)穩(wěn)定性。