EES | 高電壓穩定的氟代碸電解液,有望用於5V鋰離子電池

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Oxidatively Stable Fluorinated Sulfone Electrolytes for High Voltage High Energy Lithium-ion Battery, Energy & Environmental Science,  DOI: 10.1039/C7EE00035A . 第一作者：Chi-Cheung Su, 通訊作者：Zhengcheng Zhang，單位：美國阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory）。

在電動汽車領域中，鋰離子電池的應用受限於其安全性、價格、以及能量密度無法滿足續航需求。為提高電池能量密度，一種方法是提高材料的比容量，另一種策略是提高工作電壓至 5V。這類材料包括橄欖石型 LiNiPO4 和 LiCoPO4，以及尖晶石型 LiNi0.5Mn1.5O4  (LNMO)  和  LiCoMnO4。此外，對於目前的 LiNixMnyCozO2 (NMC) 正極，其通常充電至 4.2 V 或 4.3 V，這樣只是利用了其部分容量，可通過進一步提高其充電電壓的方法實現更高的容量和能量密度。但目前的商用電解液無法穩定應用於 5 V 體系，因此有必要開發新型高電壓條件下穩定的電解液。

在這篇文章中，作者提出了一種新的方法，製備了一系列 α-三氟甲基碸類電解液，包括三氟甲基乙碸（FMES）、三氟甲基丙碸（FMPS）、三氟甲基異丙碸（FMIS），並系統研究了其物理和電化學性質。其具有良好的抗氧化穩定性、低粘度、良好的隔膜浸潤性。不過，氟代碸在正極發生脫碸反應，產生的烷基會攫取溶液中的氫原子從而引發鏈式反應，這樣產生的 SEI 在鋰離子嵌入脫出過程中不夠穩定。因此作者在三氟甲基碸電解液中添加二氟代碳酸乙烯酯（DFEC）助溶劑，從而實現在負極表面形成高質量的聚合物 SEI 層。作者以此用於高電壓（4.6 V）NMC532/石墨電池中，改善了其循環穩定性，提高了庫倫效率。這一高電壓電解液有望用於下一代高電壓高能量鋰離子電池中，作者表示，他們將在下一步的研究中重點關注加入助溶劑後石墨/電解液界面性質，以及如何在高電壓體系中進一步提高電池性能。

以下為文章原圖：

圖1 幾種碳酸酯、氟代碳酸酯、碸、氟代碸電解液組分的化學結構。

圖示1 FMES、FMPS、FMIS、FPMS 的合成路線。

圖2 氟代和非氟代碸類的物理性質對比。

圖3 氟代和非氟代碸類電解液的線性電勢掃描。

圖4 NMC532/石墨全電池使用不同電解液的循環容量對比

圖5 NMC532/石墨全電池使用不同電解液的循環庫侖效率對比

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