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自從鋰離子電池實(shí)現(xiàn)商業(yè)化以來(lái)，它在消費(fèi)類電子產(chǎn)品、新能源電動(dòng)汽車以及其他電動(dòng)產(chǎn)品領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
憑借所能匹配的鋰負(fù)極具有極高比容量以及低還原電勢(shì)等特點(diǎn)，鋰金屬電池成為極具潛力的下一代高能量密度電池，也是當(dāng)前是電池領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
如今，商用鋰離子電池的能量密度逐漸接近其理論值，這會(huì)限制鋰電池市場(chǎng)的發(fā)展與擴(kuò)大。同時(shí)，想要實(shí)現(xiàn)鋰金屬電池的實(shí)際應(yīng)用，首先需要解決鋰枝晶問(wèn)題。
電解液是鋰電池的“血液”，其性質(zhì)直接影響著電極性能。因此，對(duì)于改善鋰金屬負(fù)極來(lái)說(shuō)，電解液工程是既直接又有效的的策略。
目前，已被用于鋰金屬電池研究的電解液主要有醚類、氟化溶劑、高濃/局部高濃電解液，它們能夠形成有利于鋰離子傳輸?shù)?、富含無(wú)機(jī)物成分的固體電解質(zhì)界面膜（SEI，Solid Electrolyte Interphase），這在一定程度上可以抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)。
然而，當(dāng)前的鋰金屬電池電解液在理化性質(zhì)、經(jīng)濟(jì)成本以及安全性等方面存在一些缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響著電解液在鋰金屬電池上的大規(guī)模應(yīng)用。
憑借在物理、化學(xué)和電化學(xué)等方面的優(yōu)異綜合性能，商業(yè)化碳酸酯電解液已經(jīng)成為鋰離子電池產(chǎn)業(yè)中占據(jù)主導(dǎo)地位的電解液。
然而，碳酸酯電解液對(duì)于鋰金屬具有高腐蝕性，會(huì)導(dǎo)致大量鋰枝晶的生長(zhǎng)和電池循環(huán)壽命的縮短。這主要是因?yàn)樘妓狨ル娊庖貉苌?SEI 膜富含有機(jī)成分，存在易溶脹、機(jī)械性能差、會(huì)加速鋰枝晶生長(zhǎng)和電解液持續(xù)分解等缺點(diǎn)。
在實(shí)際應(yīng)用中，鋰金屬電池由高載量的正極活性材料和有限過(guò)量的鋰負(fù)極組裝而成，并在貧電解液（<3g/Ah）條件之下循環(huán)。
這些苛刻的要求會(huì)進(jìn)一步加速鋰枝晶生長(zhǎng)、電解液的耗盡以及電池的失效。
清華大學(xué)教授劉凱團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，如能通過(guò)構(gòu)建一個(gè)堅(jiān)實(shí)且富含無(wú)機(jī)物的高質(zhì)量 SEI 膜，來(lái)有效抑制鋰金屬和碳酸酯電解液之間的系列副反應(yīng)。
那么，基于自身成熟的制造工藝和優(yōu)異的綜合性能，碳酸酯電解液在鋰金屬電池的應(yīng)用將具有更明顯的優(yōu)勢(shì)。
為此，他們開(kāi)啟了一項(xiàng)課題。通過(guò)設(shè)計(jì)合成具有高給體數(shù)的非對(duì)稱鋰鹽（LiFEA），從而使 LiFEA 基電解液擁有自清潔 SEI 膜中有機(jī)物的機(jī)制，借此在碳酸酯電解液中構(gòu)建富含無(wú)機(jī)成分的 SEI 膜，從而提高碳酸酯電解液與鋰金屬負(fù)極的兼容性。
概括來(lái)說(shuō)，他們?cè)O(shè)計(jì)了一種擁有自清潔 SEI 膜有機(jī)成分的鋰鹽，能夠提高鋰金屬電池中碳酸酯電解液的性能，相關(guān)的軟包電池在循環(huán) 100 次后容量保持率為 81%。
該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)通過(guò)浸出不需要的成分，將有希望對(duì) SEI 結(jié)構(gòu)做出修改。同時(shí)，本次成果也證明：使用具有高供體數(shù)的鋰鹽，可以有效調(diào)節(jié) SEI 成分的溶解度。
基于此次設(shè)計(jì)的新型鋰鹽，該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為其有望作為鋰金屬電池、鋰硫電池和商用鋰離子電池的電解液鋰鹽添加劑，以用于提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性、能量密度和功率密度。
此外，本次課題使用的的分子設(shè)計(jì)理念和研究思路，也有望啟發(fā)其他新型鋰鹽和溶劑分子的開(kāi)發(fā)，從而讓鋰電池電解液性得到更好的提高。
日前，相關(guān)論文以《設(shè)計(jì)非對(duì)稱醚狀鋰鹽助力具有快速充放電性能的高能金屬鋰電池》（Designing an asymmetric ether-like lithium salt to enable fast-cycling high-energy lithium metal batteries）為題發(fā)在 Nature Energy（IF 56.7），清華大學(xué)博士后夏迎春是第一作者，劉凱擔(dān)任通訊作者。
