两大「杰青」领衔！中科大/北大/物理所/苏大，最新Nature Energy！

第一作者：揭育林，Shiyang Wang，翁素婷，刘越

通讯作者：焦淑红，徐东升，王雪锋，程涛

通讯单位：中国科学技术大学，北京大学，中国科学院物理研究所，苏州大学

焦淑红，中国科学技术大学化学与材料科学学院教授，博士生导师，英国皇家化学会会士，国家杰出青年基金获得者。目前主要从事高能量二次电池电极材料和器件集成等方面的研究，研究方向包括先进电池体系的材料设计、界面调控和机理研究

徐东升，北京大学化学与分子工程学院教授，博士生导师。主要研究方向：物理化学，材料物理化学 , 纳米能源材料与器件。获奖情况：2015年入选教育部“长江学者奖励计划”，2007年国家自然科学二等奖（排名第四），2005年国家自然科学基金委杰出青年基金。

王雪锋，中国科学院物理研究所特聘研究员，博士生导师。曾获得国家海外高层次人才引进青年项目（2020）。主要研究方向：高能量密度锂电池界面表征与调控，擅长采用冷冻电镜技术研究辐照敏感材料。

程涛，苏州大学纳米科学技术学院教授、博士生导师。近五年来，主要从事理论化学与能源催化交叉领域的理论研究。开发理论模拟计算方法并将其应用于能源相关的重要电化学反应其中包括反应机理研究、材料性质预测和先进功能材料的设计。

论文速览

实用锂金属电池的发展受到有限寿命的困扰，主要原因在于电解液界面稳定性差。

本论文提出了一种新型的紧密离子对聚集体（CIPA）电解液。该电解液在贫电解液条件下，通过独特的纳米级溶剂化结构，实现了高性能的锂金属软包电池。

CIPA电解液中的离子对密集排列形成大的CIPAs，与传统电解液中的小聚集体形成鲜明对比。CIPAs通过集体电子转移过程促进了锂金属阳极上的快速界面还原动力学，导致稳定界面的形成。

实验结果显示，搭载高镍含量正极材料（LiNi_0.905Co_0.06Mn_0.035O₂）的505.9 Wh kg⁻¹锂金属软包电池在130次循环后仍保持了91%的能量保持率。该研究展示了通过纳米结构电解液设计实现高性能锂金属电池的可能性，并强调了理解界面反应机制在电解液设计和开发中的重要性。

图文导读

图1：CIPA电解液的特性及对锂金属软包电池的评估。

图2：锂金属阳极和NCM811阴极的界面稳定性。

图3：锂金属阳极的界面表征。

图4：中观和微观溶剂化结构。

图5：界面反应机制。

总结展望

本研究成功设计了一种新型的CIPA电解液，实现了500 Wh kg⁻¹级别锂金属软包电池的稳定循环。研究亮点包括：

1. CIPA电解液通过促进FSI⁻阴离子的集体电子转移，快速形成富含无机物的稳定SEI，有效保护了锂金属阳极。

2. CIPA电解液显著减少了正极不可逆的电化学反应，同时稳定了阳极和阴极界面，减少了电解液消耗。

3. 实验数据表明，该锂金属软包电池在130次循环后能量保持率高达91%，循环寿命和能量密度均优于现有报道。

综上所述，本研究不仅为实现高能量密度和长寿命的锂金属电池提供了新思路，也为电解液设计和界面机制的理解提供了重要指导。

文献信息

标题：Towards long-life 500 Wh kg⁻¹ lithium metal pouch cells via compact ion-pair aggregate electrolytes

期刊：Nature Energy

DOI：10.1038/s41560-024-01565-z

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