清华团队设计非对称性锂盐，实现软包电池快充快放

2023-07-31 11:53:20 来源 : DeepTech深科技

自从锂离子电池实现商业化以来，它在消费类电子产品、新能源电动汽车以及其他电动产品领域得到了广泛应用。

凭借所能匹配的锂负极具有极高比容量以及低还原电势等特点，锂金属电池成为极具潜力的下一代高能量密度电池，也是当前是电池领域的研究热点。

(资料图)

如今，商用锂离子电池的能量密度逐渐接近其理论值，这会限制锂电池市场的发展与扩大。同时，想要实现锂金属电池的实际应用，首先需要解决锂枝晶问题。

电解液是锂电池的“血液”，其性质直接影响着电极性能。因此，对于改善锂金属负极来说，电解液工程是既直接又有效的的策略。

目前，已被用于锂金属电池研究的电解液主要有醚类、氟化溶剂、高浓/局部高浓电解液，它们能够形成有利于锂离子传输的、富含无机物成分的固体电解质界面膜（SEI，Solid Electrolyte Interphase），这在一定程度上可以抑制锂枝晶的生长。

然而，当前的锂金属电池电解液在理化性质、经济成本以及安全性等方面存在一些缺点，严重影响着电解液在锂金属电池上的大规模应用。

凭借在物理、化学和电化学等方面的优异综合性能，商业化碳酸酯电解液已经成为锂离子电池产业中占据主导地位的电解液。

然而，碳酸酯电解液对于锂金属具有高腐蚀性，会导致大量锂枝晶的生长和电池循环寿命的缩短。这主要是因为碳酸酯电解液衍生的 SEI膜富含有机成分，存在易溶胀、机械性能差、会加速锂枝晶生长和电解液持续分解等缺点。

在实际应用中，锂金属电池由高载量的正极活性材料和有限过量的锂负极组装而成，并在贫电解液（<3g/Ah）条件之下循环。

这些苛刻的要求会进一步加速锂枝晶生长、电解液的耗尽以及电池的失效。

清华大学教授团队认为，如能通过构建一个坚实且富含无机物的高质量 SEI 膜，来有效抑制锂金属和碳酸酯电解液之间的系列副反应。

那么，基于自身成熟的制造工艺和优异的综合性能，碳酸酯电解液在锂金属电池的应用将具有更明显的优势。

图 | 刘凯（来源：）

为此，他们开启了一项课题。通过设计合成具有高给体数的非对称锂盐（LiFEA），从而使 LiFEA基电解液拥有自清洁 SEI膜中有机物的机制，借此在碳酸酯电解液中构建富含无机成分的 SEI膜，从而提高碳酸酯电解液与锂金属负极的兼容性。

概括来说，他们设计了一种拥有自清洁 SEI膜有机成分的锂盐，能够提高锂金属电池中碳酸酯电解液的性能，相关的软包电池在循环 100 次后容量保持率为 81%。

该团队发现通过浸出不需要的成分，将有希望对SEI 结构做出修改。同时，本次成果也证明：使用具有高供体数的锂盐，可以有效调节 SEI 成分的溶解度。

基于此次设计的新型锂盐，该团队认为其有望作为锂金属电池、锂硫电池和商用锂离子电池的电解液锂盐添加剂，以用于提高电池的循环稳定性、能量密度和功率密度。

此外，本次课题使用的的分子设计理念和研究思路，也有望启发其他新型锂盐和溶剂分子的开发，从而让锂电池电解液性得到更好的提高。

日前，相关论文以《设计非对称醚状锂盐助力具有快速充放电性能的高能金属锂电池》（）为题发在Nature Energy（IF ），清华大学博士后夏迎春是第一作者，担任通讯作者[1]。

图 | 相关论文（来源：Nature Energy）

Nature Energy 还邀请韩国科学院金海德（）教授撰写了题为《从界面中过滤有机物》（Leaching organics from the interphase）的评论文章。

论文能发在 Nature 大子刊上，也和课题组的辛苦付出息息相关。

在合成与纯化 LiFEA 锂盐这一步骤，他们整整耗时3 月之久才拿到纯品。而对 LiFEA 的基本理化性质和电化学性能进行探索，则是另一场“鏖战”。

一开始他们对LiFEA 锂盐的认知，局限于折叠结构与锂离子迁移数高两方面，这导致无法很好地将两者与电化学性能联系起来。

当时，他们并未意识到这类新型锂盐的特殊性。随着研究的逐渐深入以及表征手段的深入，大家才意识到这是一类新的锂盐。

理解锂盐“分子结构”与物化性能以及电化学性能的关联之后，他们发现了新的 SEI“自清洁”机理，从而为新型锂盐的设计注入新的可能性。

之后，他们开始对LiFEA 自清洁 SEI 膜中有机成分的机理进行探究。

实验中，他们发现只需的添加剂，就能显著提高商业碳酸酯电解液的快充性能，并且 LiFEA会让SEI 膜中有机成分减少。

通过石英晶体微天平，课题组证实了“LiFEA 可以溶解 SEI 膜中有机物成分”的这一猜想。随后，通过设计一系列的实验，完成了针对LiFEA 自清洁 SEI 膜中有机成分的机理的探究。

目前，他们正在进一步优化分子结构，以期进一步提升综合性能，同时也正在进行工艺放大摸索。

另据悉，还是《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国区榜单入选者。

早年，其博士毕业于于清华大学院士课题组。“博士毕业之后，张老师鼓励我去探索新的学科，进行交叉领域的研究，并将我推荐到斯坦福大学院士研究组，进行能源化学的研究。在崔老师的指导下，我围绕锂电池开展了五年左右研究。”表示。

回国之后，将博士和博士后所学内容进行交叉，从新分子/超分子化学的角度，对锂电池的关键材料电解液进行理性调控，目前已经发展出一些新型分子/超分子结构的电解液，未来有望解决锂电池的安全、低温性能、快充性能等方面的问题

参考资料：

, Y., Zhou, P., Kong, X., Tian, J., Zhang, W., Yan, S., ... & Liu, K. (2023). Designing an asymmetric ether-like lithium salt to enable fast-cycling high-energy lithium metal batteries.NatureEnergy, 1-12.

运营/排版：何晨龙

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