非水溶剂锂-空气电池中高性能金属锂负极的研究

The aprotic lithium-air battery has attracted a great deal of interest because of its high theoretical specific energy. So far, significant research efforts have been devoted to the study of the oxygen electrochemistry occurring in the positive electrode, and however, limited attention has been paid to the negative electrode, i.e., the lithium metal anode. Due to lithium's strong reducing abilities, the electrolytes are prone to decompose when in contact with the lithium metal forming questionably a solid electrolyte interphase (SEI) film that could efficiently separate the lithium metal from the electrolytes containing dissolved oxygen, and suppress the formation of lithium dentrites during Li-O2 cell operation. In this project, we try to achieve a compact, stable and highly flexible SEI film on lithium anode by tailoring the structure of fluorine-containing organic anion (i.e., siblings of TFSI anions) in lithium salts used for the preparation of electrolytes. The obtained SEI films are expected to effectively inhibit the further reaction of the lithium anode and the electrolyte, rendering excellent electrochemical performances (high reversibility, Faraday efficiency and less dentrite formation). The formation of the SEI will be studied by a combination of differential electrochemical mass spectrometry and in situ spectroelectrochemistry to get insight into its formation mechanism and composition information. An improved understanding of SEI formation mechanism for the high performance lithium anode will contribute to the realization of practical lithium-air batteries.

非水溶剂锂-空气电池具有极高的理论比能量密度，近年来倍受关注。目前对锂-空气电池的研究主要集中在正极中的氧气电极反应，却未对金属锂负极反应给予足够的重视。由于金属锂极强的还原性，易与有机电解质（有机溶剂和电解质盐）、氧气等发生副反应，导致锂-空气电池的电化学可逆性降低。在本项目中，我们将通过调节含氟电解质锂盐中含氟有机阴离子的结构，使其在金属负极表面优先分解生成致密、稳定、柔韧性好的SEI膜，有效隔绝电解质溶液和氧气，获得具有优异电化学性能（可逆性高、副反应程度低并能抑制锂枝晶生长）的金属锂负极。运用微分电化学质谱技术与光谱电化学技术，研究金属锂负极表面SEI膜的组成及形成机制。对金属锂负极表面SEI膜生成机制的深入研究，获得高性能金属锂负极将极大加快锂-空气电池的实用化进程。

在已知的电化学储能体系中，非水溶剂Li-O2电池具有最高的理论比能量，近年来倍受关注。近十年来，Li-O2电池研究焦点更多集中在氧气正极，却未对金属锂负极（Lithium Metal Anode，LMA）给予足够的重视。在Li-O2电池充放电循环过程中，LMA发生锂的可逆电沉积/溶解反应（Li ⇄ Li+ + e-），相比于氧气正极反应要简单的多。由于金属锂极强的还原性，易与电解质（有机溶剂和电解质盐）、氧气等发生副反应，导致LMA电化学可逆性降低。此外，锂“枝晶”的生长会加速活性锂损失与安全事故。因此，如何提高LMA稳定性，即锂保护及锂“枝晶”抑制，是非水溶剂Li-O2电池面临的一大挑战。.本项目结合经典电化学方法、现场谱学电化学分析技术与非原位谱学表征手段等，系统解析“LMA|电解质”界面反应机制。通过研究电解质锂盐（磺酰亚胺锂盐）结构对LMA稳定性与电化学性能的影响机制，建立起“电解质-电极界面相-电化学性能”间的构效关系。研究表明，磺酰亚胺锂盐中-CnF2n+1全氟烷基链越长，则越不易被氧化分解，对应电解质的电化学稳定窗口越宽，所生成的电极界面相越稳定，可大幅提升LMA与Li-O2电池的电化学性能。在“LMA|电解质”界面反应机制的理解基础上，提出多种LMA改性策略，包含：电解质盐结构、电解质添加剂、功能电解质等。.得益于长链全氟丁基，新型磺酰亚胺锂盐Li[(CF3SO2)(n-C4F9SO2)N]（LiTNFSI）可优先在LMA表面生长一层致密、多氟、疏氧的固态电解质界面相，明显提高O2氛围下“LMA|电解质”界面相稳定性，大幅提升Li-O2电池循环性能。结合Li-O2电池“正/负极|电解质”界面反应机制的认识，定向设计并合成新型双氟磺酰亚胺基聚离子液体，配制功能电解质。通过对功能电解质的量身设计，实现“一石二鸟”的目的，同时解决来自Li-O2电池中“氧气电极|电解质”与“LMA|电解质”界面的不稳定性问题，进而实现长循环、高可逆的Li-O2电池。.基于对“LMA|电解质”界面反应机制的理解，为定向研发新型电解质锂盐与电解质添加剂提供了理论指导，进而获得具有优异电化学性能的LMA与Li-O2电池。本项目共发表论文11篇，申请国家发明专利2件。