专题：电解液设计对电池性能提升的变革

2023-04-23 11:26:38

随着储能技术的不断发展，高压锂电池、阻燃锂电池、水系二次电池、锂/钠金属电池等新型储能器件蓬勃发展。成为了储能领域的变革性研究方向，随着上述储能器件的发展，电解液的设计及调控成为了提升电池性能的关键因素之一，随着研究人员对界面电化学反应过程的不断深入研究，电解液的设计成为了储能器件研究的方向之一。基于此，本专题汇总近来电解液设计的优秀工作，涵盖锂/钠金属电池、水系电池、高压锂电池等应用，为储能电解液设计提供见解。

1. ACS Energy Lett.：水系电解液溶剂化设计中的定量研究

中科院长春应化所明军研究员、马征特别研究助理联合兰州大学张俊丽教授，提出了水系电解液溶剂化结构和金属离子（脱）溶剂化过程的定量和图形模型（即界面模型），以总结电解液-电极界面化学和电极性能之间的关系。本综述将溶剂化结构和界面模型扩展到水系电解液领域，从不同的视角阐述了上述三种水系电解液中的溶剂化结构及界面去溶剂化反应过程差异，建立了电解液-电极界面化学与电极性能之间的可视化关系。本综述为研究水系电解液稳定性和电极性能关系提供了新视角，补充了对SEI作用的认知，提出了（水系）电解液的定量化设计及电池性能的定量化分析。该综述以题为“Quantitative Chemistry in Electrolyte Solvation Design for Aqueous Batteries”发表在知名期刊ACS Energy Letters上。

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2. 中南大学Energy Storage Materials：揭示串联稀电解质对锂金属阳极的影响及相关机理

中南大学吴飞翔课题组报告了Li||Li和Li||Cu电解槽串联稀释(0.1~1.0 M)醚基电解质中Li金属阳极(LMA)的循环性能，发现其随着浓度的增加，性能增强。此外，通过协调的循环后电极分析和理论模拟，详细揭示了浓度效应及其潜在机制，证明了LEC中的优先溶剂分解诱导了LMA的有机主导界面层。该层界面稳定性较低，导致锂半电池在不同电流密度之间的循环性能较差。另外，由于弱溶剂化性质导致的快速界面电荷转移动力学，LEC同时面临着一个很好的性能提升机会。本工作阐明了电解质浓度对LMA的影响，并揭示了串联稀释电解质的相关机理。这项及时的研究为设计新型低浓度电解质提供了一个全面的视角，具有一定的突破意义。相关成果以“Unveiling the effect and correlative mechanism of series-dilute electrolytes on lithium metal anodes”为题发表在国际权威期刊 Energy Storage Materials上。

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3. 重庆大学李猛Small：生物亲锌性启发的电解液添加剂促进高性能无枝晶锌离子电池的构建

重庆大学李猛副教授等人受到真核生物细胞内锌指蛋白中Zn²⁺和氨基酸链之间优异亲和力的启发，并综合考虑经济因素，将甘氨酸（Gly）添加剂加入到水性电解质中以稳定锌负极。结合实验表征和理论计算可知，Gly添加剂的引入不仅可以通过部分取代配位H₂O来重组水合Zn²⁺的溶剂化鞘，而且可以优先吸附到Zn负极上，从而显著抑制枝晶生长和界面副反应。因此，锌负极可以实现超过2000小时的长寿命和在良好的镀锌/剥锌可逆性(98.8%)。此外，在含 Gly添加剂的电解质中，组装的Zn||α-MnO₂全电池也表现出显著的容量保持率(在2 A·g^-1下循环1000次后为82.3%)，展示出良好的应用前景。综上所述，这种创新的生物灵感设计理念将为水性电解质的发展注入新的活力。

相关研究文章以“Electrolyte Regulation of Bio-Inspired Zincophilic Additive toward High-Performance Dendrite-Free Aqueous Zinc-Ion Batteries”为题发表在Small上。

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4. 锂电快充竟如此危险，检测避免是关键，最新Nature Energy或许能找到答案！

美国加州大学伯克利分校Bryan D. McCloskey教授（通讯作者）展示了一种简便、可行和高通量循环技术，以量化超过200个电池的不可逆锂沉积数据。首先，作者观测了能量密度、充电倍率、温度和电荷状态对锂沉积形貌的影响，基于这些结果建立了一个基于物理的电化学模型，并为预测锂沉积的起始电荷状态提供了一个经验方程。然后，作者探讨了析锂的可逆性及其与电解液设计的相关性，此举是为了防止不可逆锂的不断积累。最后，本文设计了一种直接量化商业化石墨（Gr）|LiNi_0.5Mn_0.3Co_0.2O₂（NMC）电池在循环过程中的原位锂沉积，并与在实验上更为方便的Li|Gr电池的结果进行了对比。值得注意的是，本文通过假设和实验结合的方式突出了电池测试数据的重要性，并以此激励更多的研究者创新实验方法和提升数据整理能力，从而为加速快充锂离子电池的发展做出自己的贡献。相关研究成果以“High-throughput Li plating quantification for fast-charging battery design”为题发表在Nature Energy上。

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5. 国家实验室先进微结构协同创新中心与南京大学：分子层沉积锌酮膜诱导锂金属负极富LiF界面的形成

国家实验室先进微结构协同创新中心与南京大学工程与应用科学学院的张会刚研究员和李爱东教授团队，合作提出利用分子层沉积技术原位构筑富含LiF的SEI，实现锂金属电池稳定循环。采用分子层沉积(MLD)技术在三维铜纳米线(CuNWs)上共形制备了氧化锌(ZnHQ)。极化后，具有偶极矩的锌基对苯二酚(ZnHQ)中的含氧官能团可以作为亲核基团，提供多余的电子加快双三氟甲磺酰胺锂(LiTFSI)降解，得到的富LiF的SEI促进Li离子扩散，并抑制铜表面锂枝状生长。CuNW@ZnHQ的对称电池在1 mA cm⁻²的电流密度下表现出超过7000 h的高循环稳定性。这项工作以标题为：“Molecular-Layer-Deposited Zincone Films Induce the Formation of LiF-Rich Interphase for Lithium Metal Anodes”，发表在Advanced Energy Materials。

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6. 浙江大学范修林EES：用于高性能锂离子电池的自清洁电解质

浙江大学范修林教授和中科院物理研究所苏东研究员在国际著名期刊Energy & Environmental Science上发表了关于电解液设计的最新研究“A self-purifying electrolyte enables high energy Li ion batteries”，该工作合成了一种全新的自清洁电解液，其由双氟磺酰亚胺锂（LiFSI）作为溶质，3-(三乙氧基硅)丙腈（TEOSCN）作为溶剂构成。该电解液具有自清洁功能，能够有效清除电解液中的活性有害物质。由该电解液组成的MCMB||NMC811全电池在25℃下循环1000圈后容量保持率为91%，在60℃下循环500圈后容量保持率为81%，具有极高的循环稳定性。

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7. 北京理工大学Chem. Soc. Rev.顶刊综述：醚类电解液如何影响钠离子电池性能！

北京理工大学吴川教授，白莹教授和李雨特别副研究员对醚类电解液的发展历史、基本特征、特殊反应机制及其优异性能的相关机理进行了全面的理解，其重点突出了电解液特性、界面化学与电化学性能之间的关系，对深入了解电池化学具有重要意义。最后，作者提出了未来展望和潜在方向，以引导先进电池电解液和电解液/电极界面的设计和优化。相关研究成果以“Ether-based electrolytes for sodium ion batteries”为题发表在Chem. Soc. Rev.上。