高能量密度鋰硫電池電解液研究中取得進展

鋰硫電池被認為是高能量密度電池技術中最具潛力的體系之一，其研究和發展一直備受關注。目前，由于鋰硫電池中電解液用量過大，其實際能量密度遠低于預期。

近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心懷柔研究部、清潔能源實驗室博士劉濤在特聘研究員索鎏敏指導下，從超輕電解液、鋰友好型低密度電解液等方面入手展開系列研究，提出在固定電解液體積用量條件下，降低電解液密度解決鋰硫電池中非活性電解液質量占比過高的問題。

該研究從電解液密度入手，以“變質不變量”的方法，通過有效調控電解液中鹽的種類、濃度，引入鋰友好型、低密度單醚溶劑，獲得密度僅為0.83g/mL的超低密度鋰硫電池電解液。該電解液的密度僅為傳統鋰硫電池電解液密度的70%左右，即在相同E/S比下使用該超輕電解液可實現30%左右的電解液質量的降低。超輕電解液雖然屬于低濃度電解液，但依然保持著較好的金屬鋰穩定性，這主要是由LiNO3與LiTFSI協同保護金屬鋰以及單醚較強的抗還原能力所致。相比于傳統鋰硫電池電解液，在使用超輕電解液的Li-Cu電池中金屬鋰沉積的更加致密且均勻，從而進一步降低了電解液與金屬鋰的持續消耗。

該研究發現，在E/S=3.0μL/mg條件下，采用超輕電解液的軟包電池中電解液重量占比由傳統電解液的49.6%降低至41.1%。得益于超輕電解液對電解液重量比例的降低，在單層軟包下，鋰硫電池能量密度由傳統的329.9Wh/kg提高到393.4Wh/kg。如果組裝為多層軟包電池，采用超輕電解液的鋰硫電池預估能量密度可達425.2Wh/kg。

為進一步降低鋰硫電池中金屬鋰損耗過大而導致的金屬鋰用量過高的問題，該研究提出采用一種全新的氟化硅烷結構的溶劑。該氟化溶劑相比傳統氟化溶劑具有密度低的優勢，并可在金屬鋰表面產生大量的LiF、LixSi復合物質保護金屬鋰。無論是低載量還是高載量下，采用低密度氟化溶劑的電解液循環穩定性都遠優于常規電解液。

該研究為鋰硫電池能量密度提升及其電解液優化提供了新思路。相關成果發表在《德國應用化學》《先進材料》上。研究得到懷柔清潔能源材料測試診斷與研發平臺的支持。