【儀表網 研發快訊】隨著電動汽車和消費電子行業的迅速發展，鋰離子電池(LIBs)愈發承擔著不可或缺的角色。然而，組裝LIBs需要超低水分環境，比如手套箱或干燥室所提供的環境，進而導致能源消耗增加和技術限制。液態電解質由鋰鹽和有機溶劑組成，對水分高度敏感。電池內存在的水會導致鋰鹽的水解，產生氟化鋰(LiF)和高腐蝕性的氫氟酸(HF)，其中HF會攻擊電池的界面，導致正極處有害過渡金屬(TMs)溶出和負極的固態電解質界面相(SEI)的破損，最終危及電池的電化學性能。這些問題在鋰金屬電池(LMBs)中更為明顯，因為HF與鋰金屬負極會發生更為劇烈的反應，導致容量加速退化，增加安全風險。此外，這些不利影響在高鎳正極中更為明顯，特別是在高壓或高溫條件下。近期，多孔材料(PMs)由于其具有高表面積、可調節的孔隙結構和穩定的化學/電化學性能等特性，被置于電池體系中來消除H2O/HF。然而，去除H2O的有效性受到PMs的物理吸附能力和特定化學吸附位點數量的限制。另外，目前大多研究是通過消除H2O來減少鋰鹽水解進而間接去除HF，而不是直接消除HF。
與HF相比，H2O對SEI的形成有一定的積極作用。這是因為PF6−的水解不僅會產生HF，還會產生LiF，而LiF是抑制枝晶生長的優良SEI組分。因此，直接中和或消除H2O衍生的HF，而不直接消除H2O，這將確保SEI中具有高含量的H2O衍生的LiF，進一步提高LMBs性能。然而，據我們所知，目前還沒有一種經濟、可持續的策略來解耦H2O、HF和LiF之間的相互作用，從而實現“保留H2O的同時消除HF”的目標。
圖1：HF對電極的破壞性及隔膜設計消除HF的原理
上海交通大學變革性分子前沿科學中心梁正副教授設計并制備出哌啶摻雜、功能集成的分子篩(TW@PI)、并將其復合到聚乙烯(PE)隔膜表面來精確地消除由H2O產生的HF，從而使LMBs形成富LiF的SEI，即使在高H2O含量的電解液中也能確保穩定循環。因此，使用TW@PI-PE隔膜的對稱鋰電池在含有500 ppm H2O的碳酸基電解液中，在3 mA cm−2和3 mAh cm−2下實現了超過500小時的穩定循環，優于同類電池。此外，由于過渡金屬溶解的有效限制，采用LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2正極的LMB在1000 ppm含水量和截止電壓為4.6 V的條件下穩定循環100圈后，容量保持率可以達到81%。
相關研究成果以“Eliminating Hydrogen Fluoride through Piperidine-Doped Separators for Stable Li Metal Batteries with Nickel-Rich Cathodes”為題發表于期刊Angewandte Chemie International Edition(德國應用化學)上。
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