室温离子液体在高能锂电池中的应用

随着锂离子电池(LIBs)的发展，结合嵌入过渡金属氧化物阴极和石墨阳极的LIBs能量密度已接近极限，但低循环库仑效率(CE)和锂枝晶生长仍是难以逾越的障碍。高容量合金阳极不存在锂枝晶生长的问题，且具有高能量密度。但其在微尺寸形式下，在锂化-耗蚀循环过程中会产生体积和结构变化，导致颗粒裂纹和粉化。这一现象将进一步导致有机固体电解质界面(SEI)层破裂以及颗粒穿透形成新SEI层，进而导致低循环CE与较差的循环寿命。

将合金颗粒尺寸缩小至纳米级和/或将其整合到石墨中有望解决上述问题。受限于材料制造成本与纳米阳极对电池性能的影响，研究者转将目光投向防止SEI层在体积收缩（脆化）过程中开裂的策略。LiF SEI层有望实现这一策略。为了使Li_xM合金化阳极具有长循环寿命，SEI中需提高疏Li_xM无机LiF的含量，最小化亲Li_xM有机成分的含量。常见的氟化锂盐难以同时满足最小化有机组分的需求，而无溶剂室温离子液体(RTILs)有望用于阳极合金化。然而，此前报道的RTILs电解质容量利用率较低，并且阳离子或有机阴离子降解形成的有机-无机SEI使得LIB循环寿命有限。

基于此，马里兰大学的王春生及其研究团队通过引入低聚(环氧乙烷)（二甲氧基乙烷，DME）片段，设计合成了以吡咯烷为正离子，PF₆^-为阴离子的N-甲基-N-(2-甲氧基乙氧基)甲基吡咯烷六氟磷酸盐(NMEP)，为微尺寸合金阳极与高能阴极配对提供了一种通用解决方案

研究者选择NMEP与LiPF₆比例为5:1的电解质(NMEP51)作为研究对象，并将其与商用电解质LP30进行对比。NMEP51电解质形成的SEI表面富含无机物，有机碳在溅射180 s后到达噪声级。故而可认为NMEP51电解质中的µSi颗粒只有富LiF的SEI。DFT计算进一步说明，在NMEP51电解质中形成的高界面能和强模量的LiF SEI使合金阳极具有高CE和长循环寿命。

为了降低离子液体粘度的同时保持不对称分子设计，研究者使用1-乙氧基-2-甲氧基乙烷(EME)溶剂开发了基于LiPF₆的电解质，即EME/LiPF₆。EME/LiPF₆电解质室温下在Li||μSi半电池(5.0 mAh cm^-2)上具有高倍率性能，显示出快速充电的潜力，且能完成循环超400次。EME/LiPF₆电解质还使μSi||NMC811全电池（4.5 mAh cm^-2，N/P = 1.1）在C/3（1C = 200 mA g^-1）下达到200次循环，容量保持率>90%，表明μSi||NMC811电池极具商业化潜力。