打破离子液体电解液输Li+瓶颈助力高性能锂-氧电池

随着人类社会的发展，当下电池体系的能量密度已愈发无法满足人们对高性能储能器件的需求，因此锂-氧电池作为下一代高能量密度电池被人们广泛关注；但其极大的充电过电位又使得人们对于这个“希望之星”望而却步。使用双（三氟甲磺酰亚胺）盐离子液体（TFSI-IL）基的电解液，可以通过稳定充电过程中产生的超氧根中间体，在无需催化剂的条件下即可实现低的锂-氧电池充电过电位。然而锂金属负极在TFSI-IL电解液中表现并不尽如人意，主要表现为差的循环寿命和低的倍率性能，其根本原因可以归结为TFSI-IL电解液差的输Li⁺能力导致的金属锂不均匀沉积行为。

电解液的输Li⁺能力可以用Sand's time来作为衡量标准，电解液的Sand's time越大，更不容易出现Li⁺耗尽，更倾向出现均匀稳定的锂沉积。基于Sand's time可知，提升电解液输Li⁺能力最有效的方式是提高Li⁺浓度（c₀），而提高TFSI-IL电解液的锂盐比例会导致粘度急剧上升。已报道的文献通常会引入普通有机溶剂来解决这个问题，然而普通有机溶剂会破坏在高锂盐比例下形成的独特溶剂化结构及其带来的离子迁移数（t₊）提升。如何有针对性地提升TFSI-IL电解液的输Li⁺能力是稳定金属锂沉积的关键，但仍具有较大的难点和挑战。

南开大学陈军院士团队从Sand's time公式（图1）出发，通过调控电解液溶剂化环境，突破了TFSI-IL电解液输Li⁺能力瓶颈，实现了均匀稳定的锂沉积行为，进而得到了高性能锂-氧电池。作者利用氢氟醚（OTE）不参与Li⁺溶剂化的特性，对高锂盐比例下形成的离子聚集体（AGG）网络切割形成了独特的AGG团簇，这样的溶剂化环境实现了Sand's time表达式中三个输锂参数（c₀，t₊，D）的同步提升。

图1. 基于Sand's time提出提升电解液LTA的策略

图2. 电解液溶剂化环境表征

图3. 锂沉积行为研究

后续的实验证明，电解液输Li⁺能力的提升能够使锂沉积形貌从针状转变为致密的块体，并且金属锂电极的室温可运行倍率也得到了极大提升，达到了1 mA/cm²（是目前所报道的TFSI基离子液体电解液的最高值）。因此，使用该电解液的锂-氧电池，展现出了低充电过电位（首圈过电位为0.87 V）和稳定循环的优异性能（在循环75圈之后，充放电过电位仅增加了64 mV）。

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是南开大学直博生蔡毅超。

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Ionic Liquid Electrolyte with Enhanced Li⁺ Transport Ability Enables Stable Li Deposition for High-Performance Li-O₂ Batteries

Yichao Cai, Qiu Zhang, Yong Lu, Zhimeng Hao, Youxuan Ni and Jun Chen*

Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/anie.202111360