苏州纳米所利用分子拥挤策略调控溶剂化结构助力锂离子快速输运。随着便携式电子产品与电动汽车等市场的迅猛发展，人们对可充电电池的能量密度、安全性能等指标提出了更高的要求。金属锂负极因其拥有极高理论比容量(3680mah g-1)和较低的电极电势(-3.04v vs. 标准氢电极)吸引了科研人员的注意。然而，金属锂负极在传统的碳酸酯电解液中存在着严重的枝晶与库伦效率低等问题，从而阻碍了锂金属电池的大规模应用。
中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所项目研究员刘美男等在前期工作中基于chazalviel模型，通过构筑一维(1d)孔道结构，并利用聚合物中的官能团与电解液中阴离子的偶极作用，大幅度提升锂离子迁移率，降低阴离子迁移率，实现了对金属锂枝晶的一定程度抑制(j. mater. chem. a, 2020,8, 8033-8040)。在此基础上，进一步设计了一种液态盐包聚合物电解质，通过局部增大锂盐浓度，减少电解质中自由溶剂分子数，增强阴离子与锂离子之间的相互作用，提升接触离子对(cip)和聚集体(agg)的含量，进而加快锂离子的迁移速度，稳定了锂金属负极(chem. eng. j.2022, 434, 134647)。通过对溶剂化结构构筑原则的深刻理解，研究团队还成功地设计了一种基于janus结构的准固态电解质，利用其组分中的分子间作用力调控锂离子的溶剂鞘，构筑出1d离子快速传输通道，实现了固态金属锂电池的室温运行(adv. funct. mater. 2022, 2203336)。团队还将该溶剂化构筑原则拓展到新型锌金属电池体系，通过在水系电解液中引入多羟基的蔗糖分子，成功改变了锌离子溶剂化结构，有效降低其脱溶剂能垒，进而提升锌离子动力学，有效抑制了锌枝晶生长(nano res.2022, 1998-0124)。综上所述，电解质溶剂化结构的有效调控是实现高性能、高安全金属电池的关键。
近期，研究团队提出了一种分子拥挤策略，通过其调控离子液体电解质溶剂化结构来稳定锂金属电池负极。具体来说，离子液体电解质中的拥挤稀释剂不仅强化了li 与fsi-的相互作用，实现了溶剂化结构中超高比例的aggs含量，同时拥挤稀释剂还参与构建富含lif的固态电解质膜(sei)，降低了离子液体电解质体系的粘度，大大改善体相电解质和界面处的li 传输动力学。
1,2-二氟代苯(1,2-dfben)由于其极低的介电常数以及优异的供氟能力被选做离子液体电解质的拥挤稀释剂。其可以将原本离子液体电解质体系的agg含量从22%提升至73%。研究进一步揭示了拥挤稀释剂的工作机制，li 与fsi-之间的相互作用增强且具体配位模式为li 与n原子一侧的o原子配位。利用拥挤试剂1,2-dfben复合的离子液体电解质体系m-ile实现了li/cu超高的锂沉积剥离可逆性，在1ma cm-2的电流密度下实现了450圈的循环寿命，库伦效率高达98.6%，将电流降低至0.5 ma cm-2可以实现900圈的超长寿命。同时li/li对称电池在5 ma cm-2电流密度下实现了1000小时的深度循环剥离。通过非原位电镜表征以及原位电化学观察，研究发现，利用m-ile电解质锂金属负极没有枝晶的生长。再通过刻蚀xps元素分析以及tof-sims重构循环后锂金属负极的元素分布，可以发现富含lif的sei形成。为了进一步评估m-ile体系在实际电池中的应用潜力，研究人员使用9.5 mg cm-2高质量负载的磷酸铁锂正极(lfp)来研究li/lfp的性能。在250次循环后，m-ile体系保持了161mah g-1的高容量，其平均库伦效率高达99.6%，即使在镍钴锰523(ncm523)高压正极中，仍可以稳定循环100圈，容量保持在88%。
相关成果以tailoring electrolyte solvation for lif-rich solid electrolyte interphase toward stable li anode为题发表在acs nano上。研究工作得到国家自然科学基金面上项目等的资助。
图1 电解液溶剂化结构与界面化学示意图
图2 氟代芳香族化合物的筛选以及理论计算和表征
图3 li/cu电池与li/li电池评估锂沉积剥离效率
图4 锂金属枝晶生长情况以及界面化学表征
图5 li/lfp以及li/ncm523电池性能
研究团队单位：苏州纳米技术与纳米仿生研究所
