水是当前电池行业的不速之客,几乎所有电池生产工序都严格禁止使用水。特别是,由于要求电解液中的水含量极低(低于 20 ppm),因此必须使用不含水的原材料和超干燥条件,这导致材料成本、能耗和生产复杂性大大增加。
图1.锂金属电池中严格的含水量控制和水危害示意图
上海交通大学孙浩等研究表明,硝酸锂(LiNO3)可以有效地恢复锂金属全电池的含水电解液。具有双重功能的NO3-阴离子不仅能与水分子产生强烈的相互作用,从而抑制六氟磷酸根阴离子的水解,而且还能形成坚固的固体电解质界面相(SEI),从而提高锂金属沉积和剥离过程的电化学可逆性。
图2.采用不同电解液的锂金属电池性能
实验显示,首个实用的Li/LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2全电池在采用含水电解液和负极/正极容量(N/P)比为3.8的条件下,可提供511 Wh kg-1的高能量密度和令人印象深刻的240次循环稳定性。值得注意的是,LiNO3的引入可以耐受潮湿的电解液制备原料,并能在储存5天后使潮湿的电解液恢复活力,这为克服当前电池行业中的水危害提供了一种新的范例。
图3.不同电解液中SEI的分析和锂沉积形态
Dual-Functional Lithium Nitrate Mediator Eliminating Water Hazard for Practical Lithium Metal Batteries. Advanced Energy Materials 2023.