金屬鋰負(fù)極以極高的容量(3860 mAh·g-1)和最負(fù)的電勢(-3.040 V vs 標(biāo)準(zhǔn)氫電極)而被稱為二次鋰電池“圣杯”電極。但是，鋰沉積過程中陰離子的不均勻消耗引發(fā)空間電荷效應(yīng)，產(chǎn)生鋰枝晶，嚴(yán)重阻礙了鋰金屬電池的實(shí)際應(yīng)用。
近日，江蘇師范大學(xué)賴超教授和加拿大國立科學(xué)研究院孫書會(huì)教授，張改霞博士團(tuán)隊(duì)合作，在前期成功開發(fā)辛基苯基聚氧乙烯（OP-10）電解液添加劑基礎(chǔ)上（Nature Communications, 2020, 11, 643），報(bào)道了一種具有平面分子結(jié)構(gòu)的鈷酞菁新型電解液添加劑，以平埔的方式緊密吸附在鋰負(fù)極表面上形成致密的分子層用于高性能的鋰金屬電池。
DFT理論模擬計(jì)算表明，相較于碳酸乙烯酯溶劑（EC），酞菁鈷電解液添加劑優(yōu)先以平鋪的方式層層吸附在鋰負(fù)極表面，形成平面分子級圖層（PMCL）。這種PMCL不僅可以與鋰離子絡(luò)合以降低空間電荷效應(yīng)，提升鋰離子的轉(zhuǎn)移數(shù)（0.69），還可以抑制鋰負(fù)極和電解質(zhì)之間的副反應(yīng)。此外，該工作還利用同步輻射（XANES）技術(shù)揭示產(chǎn)生的穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面由非晶LiF和Li2CO3組成。因此，Li|Li對稱電池在3 mAh cm-2 的高電鍍?nèi)萘肯略?00 h以上表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。
為了更好的說明酞菁鈷添加劑的實(shí)際應(yīng)用優(yōu)勢，該工作組裝了鋰|磷酸鐵鋰（Li|LiFePO4）全電池并測試了其性能。在1.2 mg cm-2的低負(fù)載量下，使用酞菁鈷添加劑后，全電池可穩(wěn)定循環(huán)1000周。此外，使用酞菁鈷電解液添加劑的全電池還可以在貧電解質(zhì)條件下（3 μL mg-1），穩(wěn)定循環(huán)200周，其容量保持率高達(dá)92.7%。
最后利用掃描電鏡和同步輻射（XAFS）技術(shù)研究并揭示了酞菁鈷電解液添加劑對Li|LiFePO4全電池在充放電過程中的保護(hù)機(jī)理。
該工作為通過表面分子層覆蓋策略為同時(shí)構(gòu)建穩(wěn)定的正負(fù)極界面開辟了一條新途徑。
論文信息：
Cobalt Phthalocyanine Derived Molecular Isolation Layer for Highly Stable Lithium Anode
Hongliu Dai, Jing Dong, Mingjie Wu, Qingmin Hu, Dongniu Wang, Lucia Zuin, Ning Chen, Chao Lai, Gaixia Zhang, Shuhui Su