[论文解读] Localized High-Concentration Electrolytes Get More Localized Through Micelle-Like Structures

Corey M. Efaw, Qisheng Wu+16 more|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2023

Advanced Battery Materials and Technologies被引用 5

一句话总结

本研究揭示，局部高浓度电解质（LHCEs）会形成类似胶束的纳米结构，其中溶剂充当表面活性剂，从而增强盐的溶解度，并在聚集体中心实现局部高盐浓度。该微结构在接近室温时盐局部化达到峰值，从而在锂金属负极上形成稳定的固态电解质界面（SEI），通过调控微结构-电解质配方关系，提升电池的循环性能。

ABSTRACT

Liquid electrolytes in batteries are typically treated as macroscopically homogeneous ionic transport media despite having complex chemical composition and atomistic solvation structures, leaving a knowledge gap of microstructural characteristics. Here, we reveal a unique micelle-like structure in a localized high-concentration electrolyte (LHCE), in which the solvent acts as a surfactant between an insoluble salt in diluent. The miscibility of the solvent with the diluent and simultaneous solubility of the salt results in a micelle-like structure with a smeared interface and an increased salt concentration at the centre of the salt-solvent clusters that extends the salt solubility. These intermingling miscibility effects have temperature dependencies, wherein an exemplified LHCE peaks in localized cluster salt concentration near room temperature and is utilized to form a stable solid-electrolyte interphase (SEI) on Li-metal anode. These findings serve as a guide to predicting a stable ternary phase diagram and connecting the electrolyte microstructure with electrolyte formulation and formation protocols to form stable SEI for enhanced battery cyclability.

研究动机与目标

• 解决尽管液态电解质具有复杂的化学和溶剂化结构，但其微结构特性仍存在知识空白的问题。
• 理解溶剂-稀释剂的互溶性与盐溶解度如何共同影响局部高浓度电解质（LHCEs）中纳米结构的形成。
• 建立电解质微结构与配方工艺及SEI稳定性之间的关联，以提升电池的循环性能。
• 通过识别LHCEs中温度依赖的微结构转变，预测稳定的三元相图。

提出的方法

• 采用分子动力学模拟与实验表征相结合的方法，分析局部高浓度电解质（LHCE）的纳米结构。
• 将溶剂建模为表面活性剂，稳定盐-溶剂聚集体，形成界面模糊化且中心盐浓度升高的结构。
• 研究微结构的温度依赖性，特别是接近室温时盐局部化的峰值现象。
• 通过原位与非原位电化学分析，关联微结构与锂金属负极上固态电解质界面（SEI）的形成。
• 构建一个将微结构、电解质组成与SEI稳定性相联系的框架，以指导未来电解质的设计。

实验结果

研究问题

• RQ1 溶剂-稀释剂的互溶性与盐溶解度如何共同组织形成局部高浓度电解质中的类似胶束的结构？
• RQ2 这些纳米结构中盐浓度的局部化具有怎样的温度依赖性？
• RQ3 类似胶束的聚集体形成如何影响锂金属负极上固态电解质界面（SEI）的稳定性和组成？
• RQ4 是否可利用LHCE的微结构预测电解质配方的稳定三元相图？

主要发现

• 局部高浓度电解质形成类似胶束的纳米结构，其中溶剂充当表面活性剂，从而增强盐的溶解度，并在聚集体中心实现局部高盐浓度。
• 微结构在接近室温时于聚集体中心出现盐浓度峰值，与锂金属负极上SEI的最优稳定性相关。
• 溶剂与稀释剂的互溶性与盐溶解度的相互作用形成界面模糊化结构，从而提高体系中盐的有效溶解度。
• 温度依赖的微结构演化使接近室温的稳定SEI形成窗口得以识别。
• 研究结果建立了微结构、电解质配方与SEI形成之间的直接关联，实现了稳定电解质的可预测设计。