多酚类化合物—丹宁酸用作锂金属负极电解液成膜添加剂

冉琴 孙天霷 韩冲宇 张浩楠 颜剑 汪靖伦

引用本文: 冉琴, 孙天霷, 韩冲宇, 张浩楠, 颜剑, 汪靖伦. 多酚类化合物—丹宁酸用作锂金属负极电解液成膜添加剂[J]. 物理化学学报, 2020, 36(11): 1912068-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB201912068 shu
Citation:  Ran Qin, Sun Tianyang, Han Chongyu, Zhang Haonan, Yan Jian, Wang Jinglun. Natural Polyphenol Tannic Acid as an Efficient Electrolyte Additive for High Performance Lithium Metal Anode[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2020, 36(11): 1912068-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB201912068 shu

多酚类化合物—丹宁酸用作锂金属负极电解液成膜添加剂

    通讯作者: 汪靖伦, jlwang@hnust.edu.cn
  • 基金项目:

    湖南科技大学博士科研启动项目(E518B1), 湖南科技大学2019年度大学生科研创新计划项目“挑战杯专项” (TZ9003)资助

摘要: 金属锂因具有高理论容量和低化学电位被认为是电化学储能系统的“圣杯”,但无规则的锂枝晶生长和与电解液的高反应活性导致其安全性能差和库伦效率低,这严重阻碍了锂金属负极的大规模应用。电解液添加剂具有用量小、效果显著等特点,是改善电池性能的有效手段之一。本研究首次报道一种植物多酚—丹宁酸(TA)用作电解液添加剂改善锂金属负极的电化学性能。通过在基础电解液1 mol·L-1 LiPF6-EC/DMC/EMC (1 : 1 : 1,质量比)中添加质量分数0.15% TA,Li|Li对称电池在电流密度为1 mA·cm-2和容量为1 mAh·cm-2的条件下能稳定循环270 h (以0.1 V为截止电压),而没有TA添加剂的Li|Li电池在相同条件下只能循环170 h。电化学阻抗、扫描电镜、傅里叶红外、循环伏安和X射线能谱分析测试结果表明,丹宁酸能在锂金属表面参与形成了一层稳定且致密的固态电解质界面层。推测其可能的机理为多羟基酚有助于LiPF6的水解反应并形成LiF,多羟基酚的锂盐能与碳酸二甲酯发生酯交换反应而形成交联聚合物,从而形成了稳定且均匀的有机/无机复合SEI膜、显著提高了锂金属负极的电化学性能。

English

    1. [1]

      杨泽, 张旺, 沈越, 袁利霞, 黄云辉.物理化学学报, 2016, 32, 1062. doi: 10.3866/PKU.WHXB201603231Yang, Z.; Zhang, W.; Shen, Y.; Yuan, L. X.; Huang, Y. H. Acta Phys. -Chim. Sin. 2016, 32, 1062. doi: 10.3866/PKU.WHXB201603231

    2. [2]

      Cheng, X. B.; Zhang, R.; Zhao, C. Z.; Zhang, Q. Chem. Rev. 2017, 117, 10403. doi: 10.1021/acs.chemrev.7b00115 doi: 10.1021/acs.chemrev.7b00115

    3. [3]

      Zhang, Y.; Zuo, T. T.; Popovic, J.; Lim, K.; Yin, Y. X.; Maier, J.; Guo, Y. G. Mater. Today 2020, 33, 56. doi: 10.1016/j.mattod.2019.09.018 doi: 10.1016/j.mattod.2019.09.018

    4. [4]

      Wu, S. L.; Zhang, Z. Y.; Lan, M. H.; Yang, S. R.; Cheng, J. Y.; Cai, J. J.; Shen, J. H.; Zhu, Y.; Zhang, K. L.; Zhang, W. J. Adv. Mater. 2018, 30, 1705830..doi: 10.1002/adma.201705830 doi: 10.1002/adma.201705830

    5. [5]

      He, Y.; Xu, H. W.; Shi, J. L.; Liu, P. Y.; Tian, Z. Q.; Dong, N.; Luo, K.; Zhou, X. F.; Liu, Z. P. Energy Storage Mater. 2019, 23, 418. doi: 10.1016/j.ensm.2019.04.026 doi: 10.1016/j.ensm.2019.04.026

    6. [6]

      Li, Y. B.; Sun, Y. M.; Pei, A.; Chen, K. F.; Vailionis, A.; Li, Y. Z.; Zheng, G. Y.; Sun, J.; Cui, Y. ACS Central Sci. 2018, 4, 97. doi: 10.1021/acscentsci.7b00480 doi: 10.1021/acscentsci.7b00480

    7. [7]

      Dai, H. L.; Xi, K.; Liu, X.; Lai, C.; Zhang, S. Q. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 17515. doi: 10.1021/jacs.8b08963 doi: 10.1021/jacs.8b08963

    8. [8]

      Shangguan, X. H.; Xu, G. J.; Cui, Z. L.; Wang, Q. L.; Du, X. F.; Chen, K.; Huang, S. Q.; Jia, G. F.; Li, F. Q.; Wang, X.; et al. Small 2019, 15, 1900269. doi: 10.1002/smll.201900269 doi: 10.1002/smll.201900269

    9. [9]

      崔屹.物理化学学报, 2019, 35 (7), 661. doi: 10.3866/PKU.WHXB201809053Cui, Y. Acta Phys. -Chim. Sin. 2019, 35 (7), 661. doi: 10.3866/PKU.WHXB201809053

    10. [10]

      Ran, Q.; Han, C. Y.; Tang, A. P.; Chen, H. Z.; Tang, Z. L.; Jiang, K. C.; Mai, Y. J.; Wang, J. L. Solid State Ionics 2020, 334, 115095. doi: 10.1016/j.ssi.2019.115095 doi: 10.1016/j.ssi.2019.115095

    11. [11]

      You, J. H.; Zhang, S. J.; Deng, L.; L, M. Z.; Zheng, X. M.; Li, J. T.; Zhou, Y.; Huang, L.; Sun, S. G. Electrochim. Acta 2019, 299, 636. doi: 10.1016/j.electacta.2019.01.045 doi: 10.1016/j.electacta.2019.01.045

    12. [12]

      Wang, Q.; Zhang, H.; Cui, Z.; Zhou, Q.; Shangguan, X.; Tian, S.; Zhou, X.; Cui, G. Energy Storage Mater. 2019, 23, 466. doi: 10.1016/j.ensm.2019.04.016 doi: 10.1016/j.ensm.2019.04.016

    13. [13]

      Song, R. S.; Wang, Bo.; Xie, Y.; Ruan, T. T.; Wang, F.; Yuan, Y.; Wang, D. L.; Dou, S. X. J. Mate. Chem. A 2018, 6, 17967. doi: 10.1039/C8TA06775a doi: 10.1039/C8TA06775a

    14. [14]

      Jin, S.; Jiang, Y.; Ji, H. X.; Yu, Y. Adv. Mater. 2018, 30, 1802014. doi: 10.1002/adma.201802014 doi: 10.1002/adma.201802014

    15. [15]

      Shen, X.; Chen, X. B.; Shi, P.; Huang, J. Q.; Zhang, X. Q.; Yan, C.; Li, T.; Zhang, Q. J Energy Chem. 2019, 37, 29. doi: 10.1016/j.jechem.2018.11.016 doi: 10.1016/j.jechem.2018.11.016

    16. [16]

      郭峰, 陈鹏, 康拓, 王亚龙, 刘承浩, 沈炎宾, 卢威, 陈立桅.物理化学学报, 2019, 35 (12), 1365. doi: 10.3866/PKU.WHXB201903008Guo, F.; Chen, P.; Kang, T.; Wang, Y. L.; Liu, C. H.; Shen, Y. B.; Lu, W.; Chen, L. W. Acta Phys. -Chim. Sin. 2019, 35 (12), 1365. doi: 10.3866/PKU.WHXB201903008

    17. [17]

      Jia, W. S.; Fan, C.; Wang, L. P.; Wang, Q. J.; Zhao, M. J.; Zhou, A. J.; Li, J. Z. ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 15399. doi: 10.1021/acsami.6b03897 doi: 10.1021/acsami.6b03897

    18. [18]

      Qian, J. F.; Xu, W.; Bhattacharya, P.; Engelhard, M.; Henderson, W. A.; Zhang, Y. H.; Zhang, J. G. Nano Energy 2015, 15, 135. doi: 10.1016/j.nanoen.2015.04.009 doi: 10.1016/j.nanoen.2015.04.009

    19. [19]

      Liu, L. L.; Wang, S. L.; Zhang, Z. Y.; Fan, J. T.; Qi, W.; Chen, S. M. Ionics 2018, 25, 1035. doi: 10.1007/s11581-018-2641-0 doi: 10.1007/s11581-018-2641-0

    20. [20]

      Markevich, E.; Salitra, G.; Aurbach, D. ACS Energy Lett. 2017, 2, 1337. doi: 10.1021/acsenergylett.7b00163 doi: 10.1021/acsenergylett.7b00163

    21. [21]

      Li, S. P.; Fang, S.; Dou, H.; Zhang, X. G. ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 20804. doi: 10.1021/acsami.9b03940 doi: 10.1021/acsami.9b03940

    22. [22]

      Liu, Q. Y.; Yang, G. J.; Liu, S.; Han, M.; Wang, Z. X.; Chen, L. Q. ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 117435. doi: 10.1021/acsami.9b03417 doi: 10.1021/acsami.9b03417

    23. [23]

      Ouyang, Y.; Guo, Y. P.; Li, D.; Wei, Y. Q.; Zhai, T. Y.; Li, H. Q. ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 11360. doi: 10.1021/acsami.8b21420 doi: 10.1021/acsami.8b21420

    24. [24]

      Zhang, J.T.; Yu, L.; Lou, X. W. D. Nano Res. 2017, 10, 4298. doi: 10.1007/s12274-016-1394-1 doi: 10.1007/s12274-016-1394-1

    25. [25]

      Ding, F.; Xu, W.; Graff, G. L.; Zhang, J.; Sushko, M. L.; Chen, X. L.; Shao, Y. Y.; Engelhard, M. H.; Nie, Z. M.; Xiao, J.; et al. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 4450. doi: 10.1021/ja312241y doi: 10.1021/ja312241y

    26. [26]

      Zhao, H.J.; Yu, X. Q.; Li, J. D.; Li, B.; Shao, H. Y.; Li, L.; Deng, Y. H. J. Mater. Chem. A 2019, 7, 8700. doi: 10.1039/C9TA00126C doi: 10.1039/C9TA00126C

    27. [27]

      Yang, Y.; Xiong, J.; Lai, S. B.; Zhou, R.; Zhao, M.; Geng, H. B.; Zhang, Y. F.; Fang, Y. X.; Li, C. C.; Zhao, J. B. ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 6118. doi: 10.1021/acsami.8b20706 doi: 10.1021/acsami.8b20706

    28. [28]

      Oh, J.; Jo, H.; Lee, H.; Kim, H. T.; Lee, Y. M.; Ryou, M. H. J. Power Sources 2019, 430, 130. doi: 10.1016/j.jpowsour.2019.05.003 doi: 10.1016/j.jpowsour.2019.05.003

    29. [29]

      Yue, H. Y; Du, T.; Wang, Q. X.; Shi, Z. P.; Dong, H.Y.; Cao, Z. X.; Qiao, Y.; Yin, Y. H.; Xing, R. M.; Yang, S. T. ACS Omega 2018, 3, 2699. doi: 10.1021/acsomega.7b01752 doi: 10.1021/acsomega.7b01752

    30. [30]

      Pan, L.; Wang, H. B.; Wu, C. L. M.; Liao, C. B.; Li, L. ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 16003. doi: 10.1021/acsami.5b04245 doi: 10.1021/acsami.5b04245

    31. [31]

      Liao, C. B.; Xu, Q. K.; Wu, C. L. M.; Fang, D. L.; Chen, S. Y.; Chen, S. M.; Luo, J. S.; Li, L. J. Mater. Chem. A 2016, 4, 17215. doi: 10.1039/C6TA07359 doi: 10.1039/C6TA07359

    32. [32]

      Xu, Z.; Ye, H. J.; Li, H. Q.; Xu, Y. Z.; Wang, C. Y.; Yin, J.; Zhu, H. ACS Omega 2017, 2, 1273. doi: 10.1021/acsomega.6b00504 doi: 10.1021/acsomega.6b00504

    33. [33]

      丁飞.高比能量二次锂电池中金属锂负极材料的研究[D].哈尔滨工业大学, 2006.Ding, F. Study on Lithium Metal Anode Material of High Specific Energy Lithium Secondary Battery. Ph. D. Dissertation, Harbin Institute of Technology, Harbin, 2006.

    34. [34]

      Amanchukwu, C. V.; Kong, X.; Qin, J.; Cui, Y.; Bao, Z. N. Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1902116. doi: 10.1002/aenm.201902116 doi: 10.1002/aenm.201902116

    35. [35]

      Zhao, C. Z.; Duan, H.; Huang, J. Q.; Zhang, J.; Zhang, Q.; Guo, Y. G.; Wan, L. J. Sci. Chin. Chem. 2019, 62, 1286. doi: 10.1007/s11426-019-9519-9 doi: 10.1007/s11426-019-9519-9

    36. [36]

      Lang, X. D.; He, L. N. Chem. Rec. 2016, 16, 1337. doi: 10.1002/tcr.201500293 doi: 10.1002/tcr.201500293

    37. [37]

      Zhang, X. Q.; Chen, X.; Cheng, X. B.; Li, B. -Q.; Shen, X.; Yan, C.; Huang, J. -Q.; Zhang, Q. Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 5301. doi: 10.1002/anie.201801513 doi: 10.1002/anie.201801513

    38. [38]

      Yuan, Y. X.; Wu, F.; Chen, G. H.; Bai, Y.; Wu, C. J. Energy Chem. 2019, 37, 197. doi: 10.1016/j.jechem.2019.03.014 doi: 10.1016/j.jechem.2019.03.014

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  0
  • 文章访问数:  85
  • HTML全文浏览量:  12
文章相关
  • 发布日期:  2020-11-15
  • 收稿日期:  2019-12-27
  • 接受日期:  2020-03-06
  • 修回日期:  2020-01-16
  • 网络出版日期:  2020-03-17
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章