一、無負極二次鋰金屬電池設計的方式及關鍵點
隨著儲能行業的不斷發展，追求更高能量密度、更低成本、更安全、更穩定的鋰電池已勢不可擋。盡管目前以石墨為負極的鋰離子電池(LIBs)在電子設備、電動汽車和智能電網存儲領域頗受重視，但其較低的能量密度明顯跟不上日益增長的使用需求。因此，鋰金屬負極又重回舞臺，以取代石墨負極，為電池提供更高的能量密度。鋰金屬負極的理論比容量為3820 mA h/g，是石墨負極的10倍(372 mA h/g)。然而，鋰金屬負極在工作的時候，常常伴隨著鋰的均勻沉積、以及形成不穩定的固體電解質界面層(SEI)，導致鋰在電鍍/剝離后生長大量的枝晶，引發電池的安全問題，縮短電池壽命。因此，如何避免以上問題，在增加能量密度的同時提高電池安全性能，是研究者們正在思考的新命題。
其中一個很新穎的想法是使用Anode-Free系統。原則上，如果從正極中脫出的鋰離子，可以可逆地在銅集流體上進行電鍍和剝離，則可以組裝出Cu/隔膜/正極/Al型的可充電鋰金屬電池。由于這種電池中沒有活性負極，因此被稱為“無負極可充電鋰金屬電池”(AFLMB)。這里的“無負極”并不是說電池中真的沒有負極，而指的是無負極活性物質作為Li+的宿主。因此，這種設計可以減少電池的重量和空間，與傳統鋰離子電池相比，AFLMB的能量密度將顯著提升。如果該類型的電池能進入工業，那將節省與負極生產(包括漿料制備、漿料涂層和干燥)工序相關的成本和時間。然而，除了上述優點外，AFLMB有一個致命的缺點，那就是其SEI非常不穩定，因此會消耗大量的活性鋰和電解質，因此庫侖效率(CE)和循環容量保留率較低。
在這類無負極電池系統中實現穩定的鋰電鍍/剝離過程，其關鍵在于設計出性能更好的電解質。而設計電解質時，首先應考慮鋰鹽的選擇、溶劑和濃度的控制。固體電解質、無機電解質以及混合離子液體電解質雖然可以抑制鋰枝晶生長，但其在室溫下具有低導電性和高界面電阻，動力學性能受到很大限制。傳統鋰離子電池中采用的電解質為1 M LiPF6，電解液為碳酸鹽基溶劑，然而碳酸鹽電解質體系與鋰金屬的相容性較差，極易導致鋰枝晶生長，因此也不能用在AFLMB中。近來，Zhang等人采用一種高濃度的醚基電解質(4 M LiFSI/DME)來穩定鋰負極(Nat. Commun. 2015, 6, 6362)。的確，高濃度電解質可以提高正負極氧化物的穩定性、無游離溶劑、高陰離子含量、提高活性鋰離子數量。然而，醚基溶劑的抗氧化能力較差且成本高，無法滿足高壓正極的穩定運行，因此實用性不高。如果從成本角度考慮，六氟磷酸鋰(LiPF6)無疑是最好的選擇。
二、如何設計電解液組成來穩定電化學循環
國立臺灣科技大學Bing-Joe Hwang等人采用高濃度LiPF6 in EC/DEC(1:1 v/v)電解液，搭配50%的氟乙烯碳酸鹽(FEC)稀釋劑，將NMC//Cu這種無負極鋰金屬電池的循環壽命提高到1066小時以上。
2.1 探究電解液濃度對電池穩定性的影響
為了理解電池的極化、循環、庫倫效率，作者首先進行了Li||Cu半電池測試。上圖中E1.5表示1.5 M LiPF6，E2表示2 M LiPF6，E3表示3 M LiPF6，E4表示4 M LiPF6。從循環的CE中，可以理解鋰電鍍/剝離過程中的活性鋰的消耗速率、及電解質的分解程度。E1和E2情況下的電池在0.2mA/cm2電流密度下的CE趨勢如上圖e所示，由于半電池中的負極為鋰箔，則CE的本質為由于電解質分解而導致銅集流體上的鋰損耗。在圖e中，E1和E2在一開始時的庫倫效率均為～94%，這表明，無論電解質類型和濃度如何，電池的第一個循環中幾乎沒有什么差異。然而，在含有E1電解質的電池中，CE衰減很快，僅僅幾個循環，就開始出現波動。同樣的趨勢從圖c和圖d中也可看出，僅僅50個循環，E1電池的極化電壓就升高至76 mV，這表明，在經過幾個電鍍/剝離循環后，E1電池中的死鋰沉積較厚，從而在銅表面快速生長鋰枝晶，導致高電阻層的形成，增大離子和電子擴散電阻，從而使極化電壓迅速上升。上述這種現象也再一次證明了商業1 M LiPF6 EC/DEC 1:1 v/v電解質于AFLMB不兼容。與之對比，E2電池可以穩定循環超過1066h，CE一直維持在98%，極化電壓僅為30 mV，首次循環的極化率很高，第二次循環后極化率下降，這說明由高濃度電解質E2可以形成更加穩定的SEI。作者將性能優異的原因歸功于FEC稀釋劑和高濃度電解質中的鹽協同作用，形成堅固的SEI，防止鋰枝晶的形成。
上圖為無負極Cu ‖ NMC紐扣電池在0.2 mA/cm2下運行時，不同濃度電解質的庫倫效率和容量保留率對比(B表示不含FEC稀釋劑)。
上圖為無負極Cu ‖ NMC紐扣電池在0.2 mA/cm2下運行時，不同濃度電解質的庫倫效率和容量保留率對比(含有FEC稀釋劑)。
三、銅負極表面SEI的分析，探究電池能循環穩定的原因
無負極Cu||NMC紐扣電池正極為NMC111，負極為Cu箔，電解液為不同濃度的LiPF6 in EC/DEC (1:1 v/v ratio)，以FEC為稀釋劑。即便有文獻顯示碳酸鹽溶劑(EC/EMC (3:7 wt %))在第一次充電后會損失77%(J. Electrochem. Soc. 2014, 161, A827?A830.)，作者的實驗還是表示，不管電解質類型如何，在AFLMB首次循環中，電解液損失幾乎只有14%。但是15圈以后，E1電解質的損耗高達60%(上圖c)。如上圖a所示，使用E1電解質的AFLMB電池，其CE迅速下降(<90%)，幾個循環后開始波動，這可能由于在連續電鍍/剝離過程中，游離溶劑與活性鋰離子反應導致活性鋰耗盡。另外，傳統碳酸鹽電解質中形成的SEI層由電解質溶劑分解而成，因此消耗電解質也是另一個原因。
相反，如上圖b，c所示，高濃度電解質E2即使在第15個循環時，CE仍保持在86%以上。如圖2b所示，即使經過50個循環，ACE仍超過97.8%，這是目前已知的碳酸鹽基溶劑在AFLMB中的最高值。為了進一步了解高濃度LiPF6和FEC稀釋劑的協同作用對穩定無負極電池的正面影響，作者采用電化學阻抗譜(EIS)研究了電解質/電極界面行為。從上圖d也可以看出，含有E1的電池，在15個循環期間，電阻非常高，這表明與死鋰反應的SEI很厚，增加電子和離子擴散電阻。從上圖e中的掃描電鏡形貌也很容易的觀察到死鋰粉體。然而，即使經過20個循環，帶有E2電解質的電池明顯電阻較低，這顯然證明了稀釋劑具有通過降低粘度來提高離子導電性的作用。
在上表中可以觀察到電解液的粘度對比，高濃度E2B電解質的Lovis動態粘度為8.571mPa·s，高于加入稀釋劑厚的E2電解質(5.680mPa·s)。
通過對比不銹鋼//不銹鋼電池的阻抗，可以看出不同電解液的離子導電性，如上圖所示。
電解質的離子電導率是根據電阻(R)數據計算得出的，如上式所示，R表示電解質溶液的電阻，ρ表示電阻率，L表示兩個電極之間的距離，A表示橫截面積。因此，溶液的離子電導率k與電阻率(ρ)的倒數有關。計算得到高濃度電解質E2的離子導電率為1.34×10-3 s cm-1，高于E1 (1.12×10-3 s cm-1)，高于E2B (9.54 × 10–4 S cm–1)。
一般來說，稀釋劑的作用主要是降低粘度和增加電導率，但由于離子對的電荷中性，其對高濃度電解液的離子遷移率并沒有很大影響。它不會改變高濃度電解質的特性，因此SEI的形成主要是由溶劑化鹽絡合物的分解產物組成。上圖a中位于714 cm-1處的拉曼特征峰，屬于EC中的C═O彎曲振動;隨著LiPF6濃度的增加，其強度逐漸降低，并向741 cm-1處移動，這是PF6–的特征峰。同樣，在圖a中還出現了位于893 cm–1處的EC分子特征峰，隨著LiPF6濃度的增加，該峰逐漸被905 cm–1處取代，但這仍舊屬于EC分子的特征峰。這表示FEC是良好的稀釋劑，即使由于溶液中存在FEC而出現新的峰，但溶液結構仍不受稀釋劑的影響。因此，由于稀釋劑不影響溶液溶劑化結構的特性，SEI的形成機理仍舊主要是由陰離子的分解產物所決定的，與市售電解質E1相比，高濃度電解質中游離溶劑的量明顯減少。此外，從圖b (I–III)的擬合曲線來看，隨著鹽濃度的增加，位于893cm-1處的自由溶劑EC峰強度逐漸減小，并向更高的波段移動。
為了更好的了解銅負極表面SEI的化學成分，作者對5個循環后完全放電的負極進行XPS表征。上圖a-d分別顯示了使用E1電解質的Li-1s、使用E1電解質的F-1s、使用E2電解質的Li-1s和使用E2電解質的F-1s XPS特征峰。圖a、c所示的Li-1s光譜中，55.2、55.4和55.7eV處的峰分別屬于Li2CO3、ROCO2Li和LiF。同樣的，圖b、d所示的F-1s光譜中，684.8和686.6 eV處的峰分別屬于LiF和C–F。但是，也有一些峰尚未對應特定的化合物或官能團，例如L-1s中的53.2 eV(圖c)、使用E2電解質的F-1s中的688.2 eV(圖d)和使用E1電解質的F-1s中的685.8 eV(圖4b)。在圖a的光譜中，使用E1電解質，可以明顯地觀察到，有機物的峰值強度很高，例如在Li-1s光譜中的ROCO2Li和在O-1s和C-1s光譜中的?CH2–CH2O, C═O，表明SEI的主要成分來自溶劑分解。而在高濃度E2電解質中，SEI膜中含有無機物(如LiF)的高峰值強度。圖c，d中LiF光譜強度的增加可能是由鹽分解引起的陰離子一次還原，這是陰離子衍生SEI形成的證據。一般來說，在高濃度E2電解質的SEI膜組成中，其他無機物如Li2O和Li2CO3也支持這一證據。
此外，作者還研究了高濃度電解質對不同上限電壓的穩定性。可以看出，當上限截止電壓從4.3 V變為4.1 V和從4.3 V變為4.5 V時，E1電解質的放電容量有顯著差異，如上圖c，d所示。截止電壓上限越低，保留容量越高，這與理論預期相符。然而，在高濃度電解質中，無論上述電壓變化之間的變化如何，保留容量幾乎保持不變，如圖a，b所示，這表示高濃度電解質在高電壓下的穩定性更好。
先拋出這項工作的關鍵性結論：
1. 無負極鋰金屬電池(AFLMB)作為一種新穎的儲能系統，盡管能量密度相對提高，但一直找不到適合的電解液。常見的高濃度醚類電解質不僅成本高，而且不能耐高壓，因此急需找到一種低成本、高穩定性的電解質。在本文中，作者采用高濃度LiPF6 in EC/DEC(1:1 v/v)電解液，搭配50%的氟乙烯碳酸鹽(FEC)稀釋劑，將NMC||Cu這種無負極鋰金屬電池的循環壽命提高到1066小時以上。
2. 在Li||Cu半電池測試中，不論電解質的類型和濃度如何，電池的首次庫倫效率均為～94%，但是，僅僅幾個循環后，低濃度的電解質便開始快速衰減，無法穩定運行。此外，作者發現50個循環后，低濃度電解質的電池極化電壓就升高至76 mV，這表明，在經過幾個電鍍/剝離循環后，低濃度電解質的電池中死鋰沉積較厚，從而在銅表面快速生長鋰枝晶，導致高電阻層的形成，增大離子和電子擴散電阻，從而使極化電壓迅速上升。
3. 在無負極Cu||NMC紐扣電池測試中，使用E1電解質的AFLMB電池，其CE迅速下降(<90%)，幾個循環后開始波動，這可能由于在連續電鍍/剝離過程中，游離溶劑與活性鋰離子反應導致活性鋰耗盡。另外，傳統碳酸鹽電解質中形成的SEI層由電解質溶劑分解而成，因此消耗電解質也是另一個原因，但高濃度的電解質就沒有這個問題。
