近日，中国科学技术大学化学与材料科学学院焦淑红教授团队，联合北京大学徐东升教授、中国科学院物理研究所王雪锋研究员和苏州大学程涛教授团队，在高能量锂金属电池领域取得突破性进展。研究人员通过调控电解液在介观尺度下的锂离子溶剂化结构，设计了一种紧密离子对聚集体（CIPA）电解液，从而实现了500 Wh kg−1锂金属电池的稳定运行。相关成果以“Towards long-life 500 Wh kg−1 lithium metal pouch cells via compact ion-pair aggregate electrolytes”为题，于7月8日发表在Nature Energy 杂志上。
锂金属电池具有极高的理论能量密度（> 500 Wh kg−1），约为目前商业化锂离子电池的2倍，因此被视为下一代高比能电池的主要技术路线。锂金属电池目前存在的主要挑战是循环寿命较短，限制了其实际应用。近年来，国内外的研究团队开发了多种电解液体系，如高浓盐电解液、局域高浓盐电解液、液化气电解液和弱溶剂化电解液等，通过优化电解液的微观结构尤其是对锂离子的第一溶剂化壳层进行设计和优化，锂金属电池的性能取得了显著提升。但是，这些电解液策略在平衡正负极稳定性方面仍然存在很多问题，使得锂金属软包电池很难同时取得高能量密度和长循环寿命。
针对以上问题，作者提出了一种超越第一溶剂化壳层尺度的电解液设计策略，使阴阳离子对通过紧密堆积的方式形成三维聚集体（AGG）结构，在保持锂金属软包电池高能量密度的同时，大幅提升了其循环寿命（图1）。同步辐射光源的X射线散射技术和理论计算模拟的结果表明，在紧密离子对聚集体（CIPA）电解液中，多个离子对之间通过配位作用相互连接，形成锂离子相互距离为6 Å左右、最大长度为3~4纳米的大尺寸紧密聚集体结构。然而，传统电解液中聚集体的尺寸普遍较小，长度为1纳米左右，且锂离子之间的相互距离为8 Å左右。得益于紧密离子对聚集体（CIPA）电解液的紧密离子对聚集体（CIPA）结构，该电解液在锂金属负极表面形成了以无机物为主、平均厚度约为6.2纳米左右的固体电解质界面膜（SEI），从而显著提升了锂金属负极的界面稳定性。同时，该电解液能大幅抑制氧化物正极材料的不可逆界面变化，减少了电解液在正极界面的副反应。利用该电解液，采用高镍正极材料（LiNi0.905Co0.06Mn0.035O2）设计了能量密度为505.9 Wh kg−1的锂金属软包电池，并实现了130次（约2750小时）稳定循环，显著优于目前已经报道的文献结果。
中国科学技术大学揭育林（博士后）、北京大学王世洋（博士后）、中国科学院物理研究所翁素婷（博士后）和苏州大学刘越（博士后）为论文共同第一作者；中国科学技术大学焦淑红教授、北京大学徐东升教授、中国科学院物理研究所王雪锋研究员和苏州大学程涛教授为通讯作者，合作者包括化学与材料科学学院曹瑞国教授和任晓迪教授。本工作得到国家自然科学基金委杰出青年科学基金、科技部重点研发计划、中国科学院先导计划、基金委面上项目以及中国科大-国轩高科创新电池联合实验室等项目的资助。
本工作特别致谢北京工业大学闫鹏飞教授、张正峰博士，中国科学技术大学同步辐射国家实验室罗震林教授，上海同步辐射光源边风刚教授、林鹤研究员、杨科研究员、缪夏然博士和曹赛超博士等在材料表征和分析等方面的大力支持与帮助。本工作中的部分材料表征实验在中国科学技术大学理化科学实验中心进行，部分计算模拟工作在中国科学技术大学超级计算中心完成。
图1：CIPA电解液的设计理念和锂金属软包电池性能
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41560-024-01565-z