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引言

电动汽车市场的快速增长对动力电池的能量密度提出了更高的要求。相比于石墨负极，金属锂负极具有更高的理论储锂容量和更低的工作电位，这使得金属锂电池具有远高于锂离子电池的能量密度。然而由于金属锂过于活泼的界面特性以及锂的不均匀沉积，金属锂负极的稳定性和安全性受到广泛质疑，这阻碍了金属锂电池的商业化应用进程。稳定金属锂负极界面、促进锂均匀沉积、抑制锂枝晶生长是金属锂电池发展的关键。

采用电解液添加剂对金属锂电池性能进行改善，稳定金属锂负极是一种简单而有效的策略。虽然相关的电解液添加剂已多有报道，但是从分子层面认识这些添加剂，确认其有效的官能团的报道较少。这阻碍了研究者对于各类电解液添加剂的机理进行深入的理解，不利于新型添加剂的开发。

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成果展示

近日，湖南大学物理与微电子科学学院马建民团队采用结构可调控的咪唑基离子液体作为添加剂，对烷基侧链链长、阴离子类型、侧链官能团类型等因素与金属锂电池性能之间的关系进行研究。从分子层面认识电解液添加剂对于电池电化学行为的改善。

该论文发表于中国科技期刊卓越行动计划重点期刊JournalofEnergyChemistry题为“StructurallyTunableCharacteristicsofIonicLiquidsforOptimizingLithiumPlating/StrippingviaElectrolyteEngineering”。

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图文导读

图1.咪唑基离子液体添加剂改善金属锂电池机理：抑制锂枝晶生长、形成薄的正极固态电解质膜（CEI）、调控锂离子溶剂化结构基团。（以1-甲基-3-辛基咪唑-双三氟磺酰亚胺离子液体添加剂为例）

采用第一性原理计算(DFT)和分子动力学模拟(MD)对所采用的咪唑基离子液体进行分析（图2），研究添加剂的氧化还原特性及对锂离子溶剂化基团的影响。

图2.咪唑基离子液体理论研究结果：第一性原理计算(DFT)和分子动力学模拟(MD)。

通过锂对称电池研究咪唑基离子液体添加剂对于金属锂电极的改善，发现1-甲基-3-辛基咪唑-双三氟磺酰亚胺离子液体添加剂效果最为明显。在0.5mAcm-2的电流密度下，含有这种添加剂的锂对称电池展现出了长达小时的稳定的循环寿命。

图3.含有不同咪唑基离子液体锂对称电池的电化学性能。

通过SEM以及原位光学显微镜观察，证明咪唑基离子液体添加剂可以有效抑制锂枝晶生长。通过对循环后的金属锂电极进行XPS测试，确认了在该类添加剂的调控下，可以形成更为稳定的固态电解质膜(SEI)。

图4.光学观察金属锂生长过程及循环后金属锂电极的SEM、XPS测试结果。

咪唑基离子液体添加剂同样可以改善金属锂全电池的性能。这是因为该类添加剂可以协助在LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2正极表面生成更薄且更为均一的CEI膜。同样1-甲基-3-辛基咪唑-双三氟磺酰亚胺离子液体添加剂的改善作用更为理想。

图5.金属锂全电池电化学性能。

图6.循环后LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2界面表征。

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小结

在本工作中，通过选具有取不同链长的烷基侧链、不同阴离子和不同官能团的侧链的咪唑基离子液体添加剂，对该类添加剂分子各部分对于金属锂电池的作用进行研究。结果显示，在各类侧链中，不具有含氧官能团和不饱和键的辛基侧链具有最好的保护金属锂负极的作用；在各类阴离子中，双三氟磺酰亚胺阴离子同时对金属锂负极和LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2正极具有最好的改善作用。这些改善是因为这类离子液体添加剂有助于形成高LiF含量、更稳定的负极/正极固态电解质膜，并且调控锂离子溶剂化结构以增快电化学反应动力学。该工作从分子层面阐释了离子液体添加剂作用于金属锂电池的机理，有助于研究者开发新型离子液体电解液。

文章信息

StructurallyTunableCharacteristicsofIonicLiquidsforOptimizingLithiumPlating/StrippingviaElectrolyteEngineering.

ShihanQi,JiandongLiu,JianHe,HuapingWang,MingguangWu,DaxiongWu,JundaHuang,FangLi,XinLi,YurongRen,JianminMa*.

J.EnergyChem.,.

DOI:10./j.jechem..05.

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