鋰金屬電池面臨的挑戰(zhàn)
 

　　鋰金屬電池憑借其超高能量密度優(yōu)勢(shì)，成為支撐新能源汽車、高級(jí)消費(fèi)電子等產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵儲(chǔ)能技術(shù)。然而，目前商業(yè)化的碳酸酯基電解液難以穩(wěn)定鋰金屬負(fù)極，這不僅導(dǎo)致電池可用壽命不足，嚴(yán)重的鋰枝晶生長還會(huì)帶來極大的安全隱患。
 

　　近年來，要進(jìn)一步提高鋰金屬負(fù)極可逆性，需要完成從傳統(tǒng)的以溶劑為主導(dǎo)的電解質(zhì)溶劑化結(jié)構(gòu)向富陰離子溶劑化結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，已成為業(yè)界共識(shí)。其中，結(jié)合高濃度鋰鹽與反溶劑的局部高濃度醚基電解液，憑借其富陰離子的溶劑化結(jié)構(gòu)與良好的理化特性，使鋰負(fù)具備良好的可逆性以及相較低濃度電解液更好的高電壓穩(wěn)定性，推動(dòng)了鋰金屬電池的技術(shù)迭代。然而，在電池充電這一動(dòng)態(tài)過程中，不可避免地需要界面處電解液中的溶劑或陰離子來接收正極釋放的鋰離子。這也就意味著即使在高濃度電解液，這樣一個(gè)被認(rèn)為在靜態(tài)下幾乎所有溶劑、陰離子都參與進(jìn)鋰離子溶劑化團(tuán)簇的體系中，在電極表面仍需要發(fā)生溶劑、陰離子的暫態(tài)脫配位，從而與新脫出的鋰離子締合。而像這種非配位態(tài)的溶劑或陰離子，往往是不穩(wěn)定的，易發(fā)生不可逆分解。電解液組分的分解不僅會(huì)持續(xù)惡化電極界面，不同步的各組分降解情況還會(huì)使溶劑化結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，這反過來又會(huì)進(jìn)一步影響電解液的氧化還原穩(wěn)定性，加速電解液消耗，最終影響電池循環(huán)壽命。
 

　　梯度溶劑化結(jié)構(gòu)電解液設(shè)計(jì)
 

　　針對(duì)上述問題，研究團(tuán)隊(duì)引入了一種可以靶向配位的反溶劑(TLAS)。研究發(fā)現(xiàn)該反溶劑在充電過程的電場(chǎng)作用下，對(duì)正極釋放的鋰離子表現(xiàn)出介導(dǎo)能力，從而可以極大程度地繞過鋰離子溶劑化團(tuán)簇中主溶劑和陰離子的脫配位過程，這可以抑制鋰離子溶劑化團(tuán)簇組分在正極表面的降解，以及后續(xù)副反應(yīng)產(chǎn)物在正負(fù)極間的串?dāng)_，從而在陰離子主導(dǎo)的溶劑化團(tuán)簇和醚類溶劑對(duì)鋰負(fù)極兼容性優(yōu)異的情況下，穩(wěn)定正極界面。同時(shí)，TLAS的靶向配位行為僅能在正極表面區(qū)域被觀測(cè)到，遠(yuǎn)離電極界面的體相則表現(xiàn)出類似靜態(tài)下熱力學(xué)平衡的溶劑化狀態(tài)，表明所提出電解液在電場(chǎng)作用下的溶劑化結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)空間梯度性。
 

　　高比能鋰金屬軟包電池驗(yàn)證
 

　　團(tuán)隊(duì)所提出的梯度溶劑化結(jié)構(gòu)電解液在面向?qū)嶋H應(yīng)用的高能量密度鋰金屬軟包電池中得到了驗(yàn)證。結(jié)合薄鋰負(fù)極、高負(fù)載的高鎳正極以及貧電解液的嚴(yán)苛條件，采用梯度溶劑化結(jié)構(gòu)電解液的450 Wh kg–1級(jí)鋰金屬軟包電池可實(shí)現(xiàn)超750次的循環(huán)壽命。進(jìn)一步將電池參數(shù)推向極限，鋰金屬軟包電池的能量密度可以達(dá)到605 Wh kg–1，并穩(wěn)定循環(huán)150次。這一研究成果不僅為高能量密度鋰金屬電池電解質(zhì)工程提供了新思路，還有望被拓寬到其他電池體系與應(yīng)用場(chǎng)景。
 

　　該研究通過引入一種電場(chǎng)響應(yīng)的靶向配位反溶劑，構(gòu)筑了一種單相梯度電解液來定制化調(diào)控電極界面穩(wěn)定性。不同于以往電解質(zhì)設(shè)計(jì)策略聚焦靜態(tài)下的溶劑化結(jié)構(gòu)調(diào)控，該工作轉(zhuǎn)向精準(zhǔn)調(diào)控電極界面的動(dòng)態(tài)溶劑化行為，為堿金屬電池電解質(zhì)工程提供了新范式。
 

　　南京大學(xué)周豪慎教授為該論文的通訊作者，通訊單位為南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院、固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心。南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院直博生楊伍桀為該論文的第一作者。湖南大學(xué)蔡鍵鋒和鄭州大學(xué)李翔分別在理論計(jì)算模擬和冷凍透射電子顯微鏡表征方面提供支持。該工作得到了國家自然科學(xué)基金委、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、江蘇省碳達(dá)峰碳中和科技創(chuàng)新專項(xiàng)資金的支持。
 

　　引用：《自然》發(fā)文！南大團(tuán)隊(duì)定制電極界面微環(huán)境，讓高比能鋰金屬電池“穩(wěn)”下來-南京大學(xué) 【引用時(shí)間：2026年7月10日】