【电池材料】【引言】目前,锂离子电池已经取得了巨大的商业成功,但由于正极材料所需的钴、镍等过渡金属资源有限,因此面临资源可持续性的问题。但是不断增长的电动汽车和储能市场,需要寻求更高效、更可持续的电池,进一步促进了有机电极材料(OEM)的发展。迄今为止,基于共轭
【成果简介】
近日,中国武汉大学的宋智平教授(通讯作者)等人采用简单的“高浓度电解液”策略来研究两个典型的二酐分子,即1,4,5,8-萘四甲酸二酐(NTCDA)和3,4,9,10-
【图文导读】
图 1 NTCDA和PTCDA的晶体结构和电化学反应
(a,b)NTCDA(CCDC:129443)的晶格结构;
(d,e)PTCDA(CCDC:196996)的晶格结构;
(c)NTCDA和(f)PTCDA的电化学氧化还原反应和理论比容量。
图 2 NTCDA和PTCDA的循环性能
(a)NTCDA和(c)PTCDA在浓度分别为1、2、3和4 M的LiTFSI/DOL+DME电解液中的循环曲线;
(b)NTCDA(第2周)和(d)PTCDA(第20周)的典型放电-充电电压曲线。
图 3 不同浓度电解液中,PTCDA的倍率和长循环性能
(a)在50到1000 mA g-1下,在浓度分别为1、2、3和4 M的LiTFSI/DOL+DME电解液中PTCDA的倍率性能;
(b)不同电流密度下,3 M电解液中PTCDA的相应放电-充电电压曲线;
(c)在100 mA g-1下,PTCDA在1 M和3 M电解液中的长期循环性能。
图 4 NTCDA和PTCDA电极的溶解行为
(a)NTCDA和PTCDA电极在充电状态(初始电极)和放电状态(放电至1.5 V)下,在体积为1 mL,浓度分别为1,2,3 和4 M的LiTFSI/DOL+DME电解液中,分别浸泡0.5、2、8和96 h后的数码照片;
(b-e)将NTCDA或PTCDA电极浸泡96 h后的溶液,以相应浓度的空白电解液为参比的UV-Vis差分光谱。
图 5 NTCDA和PTCDA粉末及不同状态下电极的XRD表征
(a)NTCDA粉末以及循环不同周数的充电态电极的XRD图谱;
(b)PTCDA粉末以及循环不同周数的充电态电极的XRD图谱。
图 6 NTCDA和PTCDA粉末及不同状态下电极的SEM图像
(a–f)NTCDA和(g–l)PTCDA粉末和循环不同周数的充电态电极的SEM图像:
(a,g)NTCDA和PTCDA粉末的SEM图像;
(b,h)NTCDA和PTCDA初始电极的SEM图像;
(c,i)在1 M电解液中,1周和(d,j)100周循环后的电极的SEM图像;
(e,k)在3 M电解液中,1周和(f,l)100周循环后的SEM图像。
图 7 Li/NTCDA和Li/PTCDA电池在不同状态下的EIS分析
(a,b)在1 M和3 M LiTFSI/DOL+DME电解液中,Li/NTCDA电池循环前和1、5、20和100周后的EIS图;
(a,b)在1 M和3 M LiTFSI/DOL+DME电解液中,Li/PTCDA电池循环前和1、5、20和100周后的EIS图。
图 8 在1 M和3 M LiTFSI/DOL+DME电解液中,NTCDA和PTCDA电极的演变过程示意图
【小结】
这项工作为了实现SMOEM的长循环稳定性,作者为NTCDA和PTCDA引入了一种简便的高浓度电解液策略。经过比较研究,选择了3 M LiTFSI/DOL+DME作为最佳电解液,这使PTCDA能够实现SMOEM创纪录的循环性能,包括理论水平的可逆容量(147 mAh g-1),1000次循环后87%的高容量保持率,以及高达99.99%的平均库仑效率。作者系统地研究了NTCDA和PTCDA在充电和放电状态下以及在不同浓度(1、2、3和4 M)电解液中的溶解性,证明了高浓度电解液具有显著的溶解抑制作用。基于电化学性能和非原位表征,作者建立了NTCDA和PTCDA的电极演化模型,作为电池中SMOEM行为的代表性描述。提出了一种“溶解-再沉积”机制,以使研究人员对SMOEM的容量衰减有更清晰的理解。研究结论是,对于长循环稳定性而言,固有的晶体结构稳定性和适当的电解液都缺一不可,但是要求绝对的不溶性既无必要也不现实。当然,要实现SMOEM的实际应用,在机制探索和性能提升方面仍有很长的路要走。