氟代溶剂在锂金属电池中的应用

氟代溶剂在锂金属电池中的应用

近年来，锂金属电池由于具有较高的能量密度而成为储能领域的研究热点。电解液作为锂金属电池的“血液”发挥着至关重要的作用。在传统锂离子电池电解液中，锂金属负极与电解液之间的界面副反应严重并伴随着锂枝晶生长，从而导致安全隐患以及循环寿命缩短等问题。在解决锂金属负极问题上，电解液调控策略具有易操作性和有效性，因而在推动锂金属电池发展方面具有举足轻重的地位。氟代电解液是目前重要的研究方向，氟代电解液在循环过程中能够在电极表面形成富含LiF的固体电解质界面膜(SEI)；该界面膜不仅可以有效抑制负极锂枝晶的形成，并且在正极方面能够大幅提高电解液的氧化稳定性，从而提升高电压正极的适配性和锂金属电池的循环稳定性。氟代电解液中氟代溶剂/氟代锂盐的分子结构对电解液的溶剂化结构有重要影响。当氟代溶剂分子中氟原子的位置与数量不同时，氟代溶剂的物理化学性质也会随之发生变化，进而改变了电解液与电极的界面反应性。因此，氟代溶剂能够起到调制SEI膜成分和结构的作用，是决定电池性能的关键因素。本文总结了应用于锂金属电池的主要氟代溶剂，尤其是近几年来发展的新型氟代溶剂；着重介绍了高度氟代的溶剂分子作为局域超浓电解液的稀释剂，以及对溶剂进行精准分子设计得到的部分氟代溶剂等。此外，本文还分析探讨了氟代溶剂分子与电池性能之间的构效关系，展望了构建新型氟代溶剂分子的策略，希望能对电解液溶剂分子的结构设计以及构效关系的评估有一定的启发意义。
使用锂金属作为阳极的锂金属电池由于其高能量密度和未来储能应用的潜力，近年来吸引了巨大的研究兴趣。尽管它们具有高能量密度等优点，但安全问题和短寿命严重阻碍了它们在运输和电子设备中的实际应用。为了克服这些问题，已经付出了巨大的努力，包括材料设计、界面改性和电解质工程。在这些策略中，电解质调节在提高锂金属阳极的效率、稳定性和安全性方面起着关键作用。作为一类重要的电解质组分，氟化溶剂可以分解在阳极和阴极上形成富LiF的相间层，已被证明可以增强锂金属阳极的稳定性并改善电解质的氧化稳定性。同时，氟化溶剂的空间结构，如氟原子的数量和位置，会影响电解质的物理化学财产和固体电解质界面的组成/结构，最终决定锂金属电池的循环性能。最近，人们设计了许多具有不同分子结构的氟化溶剂来调节电解质的溶剂化结构，这些溶剂在锂金属电池中表现出新的电化学财产。然而，对锂金属电池中使用的氟化溶剂进行综述，并讨论其在电解质中的作用及其理化财产的综述并不多见。本文综述了近年来锂金属电池中使用的新型氟化溶剂，根据其在电解质中的功能，将其分为三部分：稀释剂、传统溶剂和新型分子。在每一部分中，对氟化溶剂与锂离子之间的相互作用、氟化溶剂在电极界面处的分解机制、氟化溶剂的电解质功能以及氟化溶剂与电池性能之间的构效关系的理解进行了全面总结和讨论。此外，讨论了氟化溶剂的优点和缺点，并强调了精确控制氟原子数和氟化溶剂结构的重要性。在这篇综述的最后，提出了设计新型氟化溶剂的观点。我们相信，这篇综述可以为设计高性能锂金属电池的新型氟化溶剂提供见解。