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近年来，随着对开发高能量密度储能设备的需求不断增长，li-o2电池越来越受到关注。然而，li-o2电池的发展受到充电极化大的阻碍，这源于li-o2缓慢的分解动力学和阳极侧的不均匀锂沉积。离子液体(il)成为li-o2电池电解质的新型溶剂，因为它们可以帮助稳定o2-中间体，以实现具有快速动力学和低充电过电位的非常理想的o2/o2-氧化还原对。在所有这些ils中，基于双（三氟甲磺酰）亚胺的离子液体（tfsi-ils）由于其相对较低的粘度和高o2-兼容性而最有希望用于li-o2电池。例如，通过利用n,n-二乙基-n-甲基-n-(2-甲氧基乙基)铵双(三氟甲磺酰基)酰胺([deme]tfsi])基电解质，li-o2电池的过电位降低至0.68 v。此外，极低的挥发性和不易燃性使tfsi-ils成为非常有前途的电解质溶剂，可用于li-o2电池等开放系统，因此，开发基于tfsi-il电解液的li-o2电池意义重大。尽管具有tfsi-il的li-o2电池在阴极侧显示出较低的充电过电位，但tfsi-il电解质中的锂阳极始终在有限的电流密度（最多 0.2 ma cm-2）下运行，循环寿命很短。锂金属电极的性能不佳可能归因于锂沉积过程中，il电解质中的tfsi-中有限的锂传输能力（lta）。
电解液的lta可以用sand's time (tsand)来描述，它是指当li 运输未能及时补充消耗时，靠近电极表面的li 耗尽的时间。时间越长，电解质的lta越高。其计算公式如上图所示，zc、f和j分别对应于li 的电荷、法拉第常数和施加的电流密度，c0、t 、d分别是指li 的浓度、转移数和扩散系数。根据公式，提高c0是增加lta最明显的方式，因此高锂盐溶解度值得研究。同时，高浓度通常会导致t 增大和d减小。由高粘度引起的d减小会降低lta，这通常通过引入有机溶剂来解决。然而，普通有机溶剂的引入会破坏溶剂化结构，并在高锂盐浓度下提高相关的t ，进而降低lta。在这方面，如何显着提高litfsi-[deme]tfsi]基电解质的lta 以实现稳定的锂沉积非常重要，但尚未有报道。
南开大学陈军院士课题组最近在angew chem int ed上发表文章，ionic liquid electrolyte with enhanced li transport ability enables stable li deposition for high-performance li-o2 batteries，通过在离子液体中引入氢氟醚(hfe)和优化电解质组分比来调节溶剂化环境，大大提高了tfsi-il电解质的lta，实现了稳定的锂沉积。在最佳电解液中，溶剂化环境由li(tfsi)2-离子对转变为离子聚集团簇。基于sand’ time公式，作者引入1h,1h,5h-八氟戊基 1,1,2,2-四氟乙醚(ote)来增大扩散系数d，因为其li 溶剂化能力可忽略不计，以保留溶剂化结构和促进li 。经过实验和理论模拟，电解质0.8-1-4（litfsi-[deme]tfsi]-ote）的比例被选为最佳电解质。通过结合实验和计算研究，发现在高litfsi浓度下形成的离子聚集网络被ote分割形成富含li 的离子聚集簇。这种独特的溶剂化环境导致传输能力同步改善，最终导致电解质的高lta。因此实现了稳定的锂沉积行为，锂沉积具有更高的库仑效率（~97.5%），同时提高了锂的循环寿命和可操作li-li对称电池电流密度（高达1 ma cm-2）。此外，li-o2电池表现出显着改善的循环稳定性和低过电位（75次循环后仅增加0.064 v）和更高的倍率能力（高达 500 ma g-1）。更重要的是，高lta电解质的优势可以扩展到其他锂金属电池系统，如li-lifepo4电池，在1 c下，300次循环后显示出86.4%的高容量保持率和提高的倍率性能（2 c下容量为126 mah g-1）。
图文详情
图1. 改善电解液中锂离子传输来稳定负极
图2. （a-c）不同电解液组成的c0，t ，和d，（d）sand’s time
图3. 选定电解质溶剂化环境的研究
图4. 研究电解质中锂沉积行为的表征
图5. 不同电解质锂氧电池的电化学性能
文献信息ionic liquid electrolyte with enhanced li transport ability enables stable li deposition for high-performance li-o2 batteries.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/anie.202111360