鲍哲南/崔屹/秦健Nature Energy: 高性能锂金属电池电解液溶剂的分子设计

液体电解质工程被认为是解决锂金属负极与电解液之间不可控寄生反应的一种经济而实用的方法，通过微调电解液组分调节SEI化学和Li的形态从而提高Li金属的循环性。然而作为实际循环速率关键参数之一的离子电导率往往研究较少，因此需要对溶剂的溶剂化能力进行微调，以同时实现电解液的锂金属循环性、氧化稳定性和离子电导率的平衡。

在此，斯坦福大学鲍哲南教授、崔屹教授及秦健助理教授等人系统地研究了一系列易于大规模合成以用作电解液溶剂的氟化1,2-二乙氧基乙烷（氟化 DEE）分子。DEE上的选定位置通过迭代微调，即用不同数量的氟原子官能化以达到库伦效率、氧化稳定性和离子传导之间的平衡。

与1.2 M LiFSI搭配使用时，这些基于氟化DEE的单盐单溶剂电解液得到了彻底的表征：Li⁺-溶剂结合能和几何形状（基于DFT计算）、溶剂化环境（基于溶剂化自由能测量、NMR、分子动力学模拟和扩散有序光谱），这些均与电池中的结果（测量的离子电导率和电池过电势）彼此紧密相关。研究表明，DEE上功能化F原子的位置和数量极大地影响了电解液的性能。

图1. Li⁺溶剂化结构和结构-性能相关性的理论和实验研究

具体而言，部分氟化的局部极性-CHF2基团比完全氟化的-CF3具有更高的离子传导性，同时仍保持出色的电极稳定性。这些单盐单溶剂电解液与1.2 M LiFSI配对可同时实现高电导率、低且稳定的过电位及>99.5%的Li||Cu半电池库伦效率（99.9±0.1%）和快速活化（两个循环内的库伦效率> 99.3%）。

结合高电压稳定性，基于该电解液的50μm薄的Li||高负载-NMC811全电池在实际测试条件下实现了大约270次循环。此外，基于该电解液的无负极Cu||LFP卷绕式软包电池在快速循环（2C放电）的条件下也实现了超过140次循环。这项研究表明，通过微调溶剂的溶剂化能力来实现快速离子传导和电极稳定性之间的平衡至关重要，而分子设计和合成工具在这里发挥着重要作用。

图2. 基于氟化DEE电解液的锂金属和无负极全电池性能

Rational solvent molecule tuning for high-performance lithium metal battery electrolytes, Nature Energy 2022. DOI: 10.1038/s41560-021-00962-y

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