近日，中国科学技术大学化学与材料科学学院、合肥微尺度物质科学国家研究中心任晓迪教授团队联合火灾科学国家重点实验室王青松教授团队研究发现利用分子间氢键的相互作用可以显著改善醚基电解液在电极界面的稳定性，并有效抑制锂金属电池热失控过程。相关成果以“Molecular anchoring of free solvents for high-voltage and high-safety lithium metal batteries”为题发表在《自然•通讯》上，我校任晓迪教授、王青松教授为通讯作者，合作者包括化学与材料科学学院焦淑红教授，博士生崔壮壮为论文的第一作者。
锂金属电池因其超高的能量密度被视为下一代电池技术的有力竞争者,但面临着电解液稳定性和安全性的双重挑战。传统的碳酸酯类电解液虽然在锂离子电池中得到广泛应用,却难以兼容活泼的锂金属负极。相比之下,醚类电解液与锂金属有更好的相容性,但较差的抗氧化能力限制了其在高电压正极中的应用。提高电解液浓度虽然可以在一定程度上改善醚的电化学稳定性,却带来了成本增加、低温性能衰减等问题,更为棘手的是大量阴离子的存在会引发热失控等安全隐患。
图1. 氢键相互作用及分子锚定电解液设计策略
针对上述难题，作者提出了一种全新的分子锚定策略,有望同时解决醚基电解液的高压和安全难题。他们在乙二醇二甲醚(DME)中加入含强极性C-H基团的氟代醚溶剂(TTE),发现DME和TTE之间可以通过氢键形成分子间的锚定作用，从而有效降低醚键上氧原子的电子云密度,大幅提高了溶剂的抗氧化能力。
图2. 锂金属电池电化学性能、表界面及安全性研究
基于分子锚定概念设计的电解液展现出优异的高压性能。在Li+/溶剂摩尔比低至1:9的条件下, 这种电解液即使在4.7 V的高压下也没有明显的氧化分解。高电压锂金属电池的容量保持率和库仑效率均远超传统的高浓电解液。为了揭示其本质机制,研究人员开展了系统的表界面分析。光谱和理论计算的结果一致表明,在高浓电解液中,阴离子和溶剂分子形成配位结构,使电解液的氧化分解倾向大大增加;而在分子锚定电解液中,溶剂分子之间通过氢键形成稳定复合物,有利于提升电解液的热力学稳定性。此外,由于减少了活泼阴离子的使用,分子锚定电解液在高电压正极表面诱导形成的界面膜也更薄更稳定。
研究人员进一步考察了电解液的安全性能。在锂金属软包电池中,当温度升高到140°C左右,高浓电解液与锂金属剧烈反应并放出大量热量,而分子锚定电解液与锂的相容性得到大幅提升。分子锚定电解液则可以将热失控开始的温度推迟到209°C以上。这项工作证明,设计合理的分子间相互作用可以从根本上改变电解液的性能,为未来电池电解液的分子工程提供了新的方向。
该项目研究得到国家自然科学基金委、中科院和安徽省的资助。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-46186-y