近日，中國科學技術大學化學與材料科學學院焦淑紅教授團隊，聯合北京大學徐東升教授、中國科學院物理研究所王雪鋒研究員和蘇州大學程濤教授團隊，在高能量鋰金屬電池領域取得突破性進展。研究人員通過調控電解液在介觀尺度下的鋰離子溶劑化結構，設計了一種緊密離子對聚集體（CIPA）電解液，從而實現了500Wh?kg?1鋰金屬電池的穩定運行。相關成果以“Towards long-life 500?Wh?kg?1lithium metal pouch cells via compact ion-pair aggregate electrolytes”為題，于7月8日發表在Nature Energy雜志上。
鋰金屬電池具有極高的理論能量密度（> 500Wh?kg?1），約為目前商業化鋰離子電池的2倍，因此被視為下一代高比能電池的主要技術路線。鋰金屬電池目前存在的主要挑戰是循環壽命較短，限制了其實際應用。近年來，國內外的研究團隊開發了多種電解液體系，如高濃鹽電解液、局域高濃鹽電解液、液化氣電解液和弱溶劑化電解液等，通過優化電解液的微觀結構尤其是對鋰離子的第一溶劑化殼層進行設計和優化，鋰金屬電池的性能取得了顯著提升。但是，這些電解液策略在平衡正負極穩定性方面仍然存在很多問題，使得鋰金屬軟包電池很難同時取得高能量密度和長循環壽命。
針對以上問題，作者提出了一種超越第一溶劑化殼層尺度的電解液設計策略，使陰陽離子對通過緊密堆積的方式形成三維聚集體（AGG）結構，在保持鋰金屬軟包電池高能量密度的同時，大幅提升了其循環壽命（圖1）。同步輻射光源的X射線散射技術和理論計算模擬的結果表明，在緊密離子對聚集體（CIPA）電解液中，多個離子對之間通過配位作用相互連接，形成鋰離子相互距離為6?左右、最大長度為3~4納米的大尺寸緊密聚集體結構。然而，傳統電解液中聚集體的尺寸普遍較小，長度為1納米左右，且鋰離子之間的相互距離為8?左右。得益于緊密離子對聚集體（CIPA）電解液的緊密離子對聚集體（CIPA）結構，該電解液在鋰金屬負極表面形成了以無機物為主、平均厚度約為6.2納米左右的固體電解質界面膜（SEI），從而顯著提升了鋰金屬負極的界面穩定性。同時，該電解液能大幅抑制氧化物正極材料的不可逆界面變化，減少了電解液在正極界面的副反應。利用該電解液，采用高鎳正極材料（LiNi0.905Co0.06Mn0.035O2）設計了能量密度為505.9 Wh kg?1的鋰金屬軟包電池，并實現了130次（約2750小時）穩定循環，顯著優于目前已經報道的文獻結果。
圖1：CIPA電解液的設計理念和鋰金屬軟包電池性能
中國科學技術大學揭育林（博士后）、北京大學王世洋（博士后）、中國科學院物理研究所翁素婷（博士后）和蘇州大學劉越（博士后）為論文共同第一作者；中國科學技術大學焦淑紅教授、北京大學徐東升教授、中國科學院物理研究所王雪鋒研究員和蘇州大學程濤教授為通訊作者，合作者包括化學與材料科學學院曹瑞國教授和任曉迪教授。本工作得到國家自然科學基金委杰出青年科學基金、科技部重點研發計劃、中國科學院先導計劃、基金委面上項目以及中國科大-國軒高科創新電池聯合實驗室等項目的資助。
本工作特別致謝北京工業大學閆鵬飛教授、張正峰博士，中國科學技術大學同步輻射國家實驗室羅震林教授，上海同步輻射光源邊風剛教授、林鶴研究員、楊科研究員、繆夏然博士和曹賽超博士等在材料表征和分析等方面的大力支持與幫助。本工作中的部分材料表征實驗在中國科學技術大學理化科學實驗中心進行，部分計算模擬工作在中國科學技術大學超級計算中心完成。
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41560-024-01565-z
（化學與材料科學學院、科研部）
