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Angew. Chem. :具有低還原電位的環狀氟醚電解液實現高性能鋰金屬電池2023-03-05
金屬鋰負極具有最高的比容量和最低的氧化還原電位,被認為是高能量密度電池的最終選擇。然而,金屬鋰會與電解液反應,消耗了電池的可逆容量。且其循環過程中產生的鋰枝晶會加速鋰和電解液的消耗,最終導致電池失效和安全問題。電解液分解形成的固體電解質界面可以抑制電解液和鋰負極的反應及鋰枝晶的生長。相比于有機物固體電解質,無機物固體電解質更能有效抑制副反應及鋰枝晶的生成。電解液工程能調控固體電解質界面成分,因而對于開發高性能鋰金屬電池至關重要。

近日,美國馬里蘭大學王春生教授課題組的武敏博士合成了兩種還原電位顯著差異的共溶劑甲基雙(氟磺?;﹣啺罚∕FSI)和 3,3,4,4-四氟四氫呋喃(TFF), 并研究了它們作為共溶劑在鋰金屬電池中的作用。MFSI是陰離子 FSI?類似物,并具有 2.5 V 的高還原電位,高于陰離子FSI-。而環狀氟醚TFF的還原電位較低,為 0.57 V vs. Li+/Li,明顯低于鹽陰離子 FSI。TFF基的電解液的固態電解質主要來源于陰離子FSI的分解,而MFSI基的固態電解質主要由MFSI和陰離子FSI共同決定。

 

 

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TFF 基電解液在標準鋰銅電池?(0. 5 毫安每平方厘米,1毫安時每平方厘米)?中除首圈外的前 200 次循環的平均 庫倫效率為 99.41%,這遠高于MFSI 基電解液的 98.62%。同時相比于單一氟醚FDMB基電解液,TFF基也顯示出更優異的鋰負極效率和 “無負極” 銅NMC811全電池性能。值得一提的是TFF和FDMB合成于相同的前驅體,但TFF合成路徑更簡易且有更高的產率。

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X 射線光電子能譜顯示TFF 基電解液的高鋰庫倫效率源于陰離子還原形成的無機物固態電解質界面。循環后的電解液質譜表明,無機固態電解質界面在TFF 電解液中的溶解度遠低于在標準稀溶液電解質中的溶解度。此外,發現來自 FSI–?陰離子的初始分解產物 Li(FSO2NSO2Li) 可以部分溶解于電解液中,并與醚溶劑反應形成更易溶的 Li(FSO2NSO3CH3) 和 Li(FSO2NSO3CH2CH2OCH3),破壞了固態電解質界面,從而降低電池性能。而在TFF基電解液中,Li(FSO2NSO2Li) 幾乎不溶,因此能更有效地鈍化 Li 負極并實現高 CE。這些關鍵發現為 LMB 電解質溶劑和助溶劑的合理設計提供了新的見解。

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文信息

High-Performance Lithium Metal Batteries Enabled by a Fluorinated Cyclic Ether with a Low Reduction Potential

Min Wu, Zeyi Wang, Weiran Zhang, Chamithri Jayawardana, Yue Li, Fu Chen, Bo Nan, Brett L. Lucht, Chunsheng Wang

Angewandte Chemie International Edition

DOI:?10.1002/anie.202216169

 

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