2024年8月22日，浙江大学材料科学与工程学院范修林团队在Nature Energy期刊上发表了一篇题为“Oscillatory solvation chemistry for a 500 Wh kg-1Li-metal pouch cell”的研究成果。该成果报道了一种介电调控策略以优化电极/电解液界面处Li+溶剂化结构，从而促进形成致密且富含无机物的固体电解质界面膜（SEI），实现了高度可逆的500 Wh kg-1锂金属软包二次电池。
论文通讯作者是范修林研究员，第一作者是张硕卿博士和李如宏研究员，并受到浙江大学陈立新教授以及上海空间电源研究所李永、郭瑞博士，华为中央研究院瓦特实验室洪响、马强博士，腾讯优图实验室，中国科学院苏州纳米所沈炎宾研究员和上海交通大学中英国际低碳学院邓涛副教授的大力支持。
低空经济作为战略性新兴产业被纳入政府工作报告，正在迅速融入各行各业，成为新型经济增长引擎。电动垂直起降飞行器（eVTOL）等是低空经济的重要载体，而作为eVTOL的核心组件，动力电池的性能成为发展低空经济的关键。为了满足eVTOL在尖端领域的应用，电池的能量密度需要达到500 Wh kg-1，而未来这一要求还会更高。随着人们对高能量密度电池的需求日益增长，锂金属电池（LMBs）已经成为科研领域和产业领域的热点。锂金属负极（LMA）被视作二次电池金属负极的终极目标，而LMBs则是达成500 Wh kg-1能量密度的关键手段之一。然而，LMA面临诸多挑战，如锂枝晶的形成、低库伦效率（CE）等问题，制约着其发展。其中一种有效的解决策略是通过电解液工程调整Li+溶剂化结构，进而在LMA表面构建富含无机成分的SEI，这有助于抑制锂枝晶的生长和副反应的发生。
得益于这一策略，诸如盐包溶剂型电解液、弱溶剂化型电解液以及高熵电解液等创新概念正推动着LMBs领域的快速发展。在探讨电解液与电化学性能之间的关系时，除了电解液的体相区域外，还需要关注直接影响电极/电解液之间非均相反应的界面特性。在电极/电解液界面上，存在一个强界面电场，该电场会对接触离子对（CIPs）和离子聚集体（AGGs）中的Li+与阴离子之间的配位作用产生影响，导致解离现象。这种界面处Li+溶剂化结构的演变对SEI化学组成的确定起着决定性作用。因此，要想全面掌握电极/电解液界面化学，就必须综合考虑Li+溶剂化团簇以及界面电场等多种因素。
在该研究中，范修林团队揭示了溶剂化结构与锂沉积/剥离效率之间的关系受到介电环境的影响。介电环境能够调节电极周边的电场强度，进而改变Li+和阴离子在电极/电解液界面处的空间分布，影响溶剂化团簇在界面的解离动力学。通过理论计算与实验验证，研究人员观察到阳离子和阴离子在电极/电解液界面呈现周期性振荡分布。较小的振荡幅度意味着界面电场对阴阳离子配位对的解离作用更强，从而加速了活性Li+的消耗。为解决这一问题，该团队提出了一种介电调控策略，旨在增大电极/电解液界面处阴阳离子的振荡幅度，从而有利于生成更为致密且富含无机成分的SEI。据此，范修林团队研发了一款新型电解液，使得6 Ah锂金属软包电池在贫液情况下（1 g Ah-1的注液量下）达到500 Wh kg-1的能量密度，并在150个循环周期后具有92%的容量保持率。此项研究为高能量密度LMBs电解液的设计提供了新的研究思路。
图1：解析电解液对CE的影响。
图2：电极/电解液界面动力学研究。
图3：锂离子溶剂化结构与界面化学的相关性。
图4：锂沉积的微观结构表征。
图5：锂金属软包电池的电化学性能测试。
（来源：科学网）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41560-024-01621-8
