在高性能3.2伏水系锂离子电池中定制含有Li3N的互补梯度固体电解质界面

《Advanced Materials》：Tailoring Li3N-Contained Complementary Gradient Solid Electrolyte Interphase in High-Performance 3.2 V Aqueous Lithium-Ion Batteries

锂氮固电解质界面在提升水系锂离子电池高电压性能与循环稳定性方面具有潜力，但易受水解影响。研究提出采用不对称酰胺共溶剂与过电位驱动界面工程协同构建LiF/Li3N互补梯度SEI，通过优化溶剂配比（如NMF）和过电位（0.3V），实现SEI分层自保护结构，抑制析氢反应。LiMn2O4||Li4Ti5O12电池在3.2V电压下分别以2C/5C倍率循环700次和2000次，容量保持率超85%。该成果为水系高电压电池界面设计提供新范式。

　　

摘要

氮化锂（Li₃N）作为一种关键的固体电解质界面（SEI）组分，对于实现高电压非水系锂离子电池至关重要。然而，由于其在水溶液中会发生强烈的水解反应，因此在水系锂离子电池（ALIBs）中的应用较为罕见。为了解决ALIBs中有限的工作电压（< 3 V）和电极/电解质界面不稳定的问题，本文提出了一种双管齐下的策略，包括使用非对称酰胺共溶剂和过电位驱动的界面工程。这种简单的方法首次实现了在水性介质中构建含有Li₃N的互补梯度SEI。通过采用N-甲基甲酰胺（NMF）作为共溶剂，并施加适当的过电位（0.3 V），成功建立了由LiF（外层）和稳定的Li₃N（内层）组成的坚固互补梯度SEI，这一过程依赖于内部自我保护机制。本文提出了LiF/Li₃N互补梯度SEI的三步形成机制，该机制涉及TFSI^?、NMF和H₂O的依次分解。这种定制的互补梯度结构能够同时具备化学稳定性和快速形成特性，有效抑制了高电压条件下的氢气释放反应。最终，LiMn₂O₄||Li₄Ti₅O₁₂电池在2 C和5 C（3.2 V）放电电流下分别经历了700次和2000次的循环测试，表现出优异的循环稳定性。这项工作为稳定水系电池中含Li₃N的电极/电解质界面提供了全新的思路，并为开发高电压、长寿命的水系锂离子电池开辟了一条独特的途径。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。