中年|周豪慎：去溶剂化锂离子组成的新型液态电解液助力高比能锂金属电池( 二 ) |锂离子|电解液|

结果与讨论

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▲图1
一种新的电解液设计策略：具有去溶剂化锂离子的液体电解液（Li+去溶剂化的电解液）。 (A)常规液体电解液的配置遵循经典的“溶剂化锂离子”电解液构型，由溶剂分子，溶剂化的Li+-阴离子接触离子对（Li+溶剂化的电解质）组成。 (B)本文设想的新电解液构型：电解液遵循“去溶剂化锂离子”电解质构型，由非活性的“冻结型”溶剂分子，去溶剂化后的锂离子与阴离子构成的类晶体状盐溶质（Li+去溶剂化的电解质）组成。非活性的“冻结型”溶剂分子的产生可能会有效降低它们的反应性并防止溶剂相关的分解问题，进而最终达到提升电解液稳定性的目的。

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▲图2
通过将锂离子的去溶剂化过程提前从高反应活性的电极表面转移到稳定且绝缘的金属有机框架（MOF）孔道内（ZIF-7, 2.9 ）， Li+与溶剂之间的相互作用被MOF的小孔窗口阻断，我们最终获得了特殊的“Li+去溶剂化的（醚基）电解液”：其由非活性的“冷冻状”溶剂分子和去溶剂化后的锂离子与阴离子构成的类晶体状盐溶质（Li+去溶剂化的电解质）组成。实验结果显示，溶剂分子像被冻结住一样以最稳定的状态（TGT类型的DME溶剂分子）存在；同时脱溶剂的Li+与阴离子（TFSI）紧密接触，形成晶体状的类盐(LiTFSI) 。（A）DME分子不同构型的稳定性示意图表明， DME以TGT构型存在时，最稳定。（B）通过拉曼（Raman）采集到的信息，我们可以明显的观测到在MOF孔内DME溶剂分子以最稳定的TGT构型存在。（C）同时，在MOF孔道内， Li-solvents(Li-DME)之间的相互作用被切断。（D）Raman结果表明， MOF孔道内形成了晶体状类LiTFSI盐。（E）我们将MOF孔内的电解液命名为“Li+去溶剂化电解液” ，并根据实验结果绘制了对应的的结构示意图。

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【中年|周豪慎：去溶剂化锂离子组成的新型液态电解液助力高比能锂金属电池】
▲图3
得益于上述电解液设计策略，所得的“Li+去溶剂化的醚基电解液”（1M Li+去溶剂化的LiTFSI-DOL/DME）的氧化稳定性得到增强，高能量密度NCM-811//Li电池的电化学性能也得到了显着改善。（A）线性扫描伏安（LSV）曲线结果表明，所得的“Li+去溶剂化的（醚基）电解液”具有比典型的“Li+溶剂化的醚基电解质”（1M ， 2M和4M LiTFSI-DOL/DME）更高的电化学稳定窗口(从3.8 V拓宽到高达4.5 V) 。（B）使用典型的“Li+溶剂化的醚基电解质”(1M LiTFSI-DOL/DME)和所得的“Li+去溶剂化的醚基电解液”(1M Li+去溶剂化的LiTFSI-DOL/DME)分别组装成的NCM-811//Li半电池的放电/充电曲线显示，所得的“Li+去溶剂化的醚基电解液”可以有效抑制溶剂分子在高电位下的氧化分解并能够(C)大大提升电池的电化学循环稳定性。（D）使用“Li+去溶剂化的基于醚的电解质”的基于有限金属锂(两倍过量的Li)的NCM-811//Li全电池电化学循环性能。插图显示，使用该电解液后，全电池的能量密度能够达到630 Wh/kg(仅考虑NCM-811正极和锂负极的重量) 。