物理所等利用新型電解液發展出長壽命鋰金屬軟包電池

隨著移動設備、電動汽車和大規模儲能系統對能源需求的日益增長，開發具有更高能量密度、更長循環壽命和更高安全性能的電池變得尤為重要。鋰金屬電池因理論能量密度超過500 Wh kg^-1而成為研究熱點。而鋰金屬電池的商業化進程受限于其有限的循環壽命，這主要是由于電解液與電極界面穩定性較差。傳統的電解液難以兼容鋰金屬負極和高壓正極，經常需要在兩者之間做出妥協。因此，設計出在負極和正極均具有高穩定性界面的電解液，是實現高能量密度鋰金屬電池的關鍵。

近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心特聘研究員王雪鋒聯合北京大學、中國科學技術大學、蘇州大學的科研人員，報道了具有獨特納米級溶劑化結構的接觸離子對聚集體（CIPA）電解液。其中，離子對密集地排列形成大尺寸的聚集體，可以通過集體電子轉移過程促進鋰金屬負極快速界面還原動力學，從而形成穩定的界面。采用高鎳正極組裝的505.9 Wh kg^-1鋰金屬軟包電池，經過130個循環后能量保持率為91%。

該工作采用冷凍透射電子顯微鏡，結合一系列先進的表面分析技術，研究固態電解質界面膜的結構、成分和空間分布。在結構上，CIPA電解液在鋰金屬負極表面形成薄且均勻的SEI膜。該膜平均厚度約為6.2 nm，低于局部高濃電解液中所形成的SEI膜。兩種電解液中形成的SEI膜都表現出有機–無機復合結構，其中CIPA電解液所形成的SEI膜中Li₂O納米晶粒尺寸和分布表現出更高的均勻性。在成分上，與CIPA電解液相比，LHCE-G3電解液形成的SEI中LiF含量較少且C^-和O^-的信號更強，表明FSI?陰離子分解減少，溶劑分解更為嚴重。在空間分布上，CIPA電解液衍生的SEI膜中C^-和S^-元素從內到外分布更加均勻，而LHCE-G3電解液在SEI膜的外層檢測到明顯的C^-信號，而S^-信號則在內層集中，說明LHCE-G3電解液的還原行為是不均勻的，這會引發局部的鋰沉積，導致鋰枝晶的形成。研究綜合界面表征結果發現，CIPA電解液中FSI?陰離子通過集體電子轉移機制迅速還原，形成富含LiF和Li₂O且低有機含量的SEI膜。這種穩定的SEI層為鋰金屬負極提供了有效保護，防止了進一步的副反應，從而增強了鋰金屬電池的循環穩定性和安全性。

相關研究成果以Towards long-life 500?Wh?kg^-1 lithium metal pouch cells via compact ion-pair aggregate electrolytes為題，發表在《自然-能源》（Nature Energy）上。研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中國科學院戰略性先導科技專項等的支持。

論文鏈接

鋰金屬負極的界面表征