研究背景
開發具有高安全性和快速充電能力的鋰金屬電池（LMBs）是實現電化學儲能設備廣泛應用的重要方向。LMBs 的實現需要兼具不可燃性和高電化學穩定性的電解液。盡管現有的電解液技術提高了 LMB 的循環壽命，但能夠同時解決高倍率性能和安全性問題的合理電解液設計仍然是一項重大挑戰。為了解決這一問題，首爾大學Jiheong Kang團隊和加利福尼亞大學Yuzhang Li合作在“Nature Energy”期刊上發表了題為“Miniature Li+ solvation by symmetric molecular design for practical and safe Li-metal batteries”的最新論文。在本研究中，作者提出了一種電解液設計理念，以實現實際可用、安全且具有快速循環能力的 LMBs。作者通過在不同電解液溶劑中引入對稱有機鹽，構建了微型陰離子-鋰離子（Li?）溶劑化結構。這些結構表現出高離子電導率、低去溶劑化能壘及界面穩定性。 作者設計的電解液可實現實際 LMBs 的穩定、快速循環，并表現出優異的穩定性（LiNi?.?Co?.?Mn?.?O? 電池（兩倍過量 Li）：400 次循環）和高功率密度（軟包電池：639.5 W kg?1）。此外，鋰金屬軟包電池在穿釘測試中保持完好，展現出極高的安全性。作者的電解液設計為實現安全、快速循環的 LMBs 提供了一種可行的解決方案。
研究亮點
- 實驗首次設計并合成了一種基于離子材料的電解液，通過引入對稱有機鹽（如Pyr?(2)FSI），成功構建了微型陰離子-鋰離子（Li?）溶劑化結構，得到具有高離子電導率、低去溶劑化能壘和優異界面穩定性的電解液。
- 實驗通過引入對稱設計的有機鹽，調控了Li?溶劑化結構中的陰離子簇聚現象，抑制了鋰枝晶的生長，從而實現了在高倍率條件下的快速充電和穩定循環。
- 實驗通過在常規醚類和碳酸酯電解液中應用該設計，獲得了高倍率耐受能力（Li–Li 電池：10 mA cm?2；Li–LiNi?.?Co?.?Mn?.?O?電池：7.6 mA cm?2），并在實際應用中展示了良好的性能，鋰金屬軟包電池在高功率密度639.5 W kg?1下，循環150次后容量保持率為87.4%。
- 實驗還通過穿釘測試驗證了該電解液設計的高安全性，成功防止了軟包電池發生熱爆炸，證明了其在高安全性和高性能之間的良好平衡。
圖文解讀
圖1：基于離子材料的電解質中改進的Li+溶劑化結構及SEI演變。
結論展望
總之，本文提出了通過在各種常規電解液中使用對稱有機鹽合成微型陰離子-鋰離子溶劑化結構的概念。有機陽離子中的對稱n-乙基鏈設計確保了與陰離子的緊密排列，從而生成了強的離子對結合。憑借這一獨特特性，對稱設計防止了溶劑化Li+的過度陰離子簇聚，形成了微型陰離子-鋰離子溶劑化結構，具有高Li+導電性和低去溶劑化能壘。通過加速供給微型陰離子-鋰離子溶劑化結構，富集鋰金屬界面附近的陰離子濃度，緊密的對稱陽離子層穩定了固態電解質界面（SEI），并通過均勻分布陰離子在電極上，形成了均勻的無機成分（Li3N、Li2O和LiF）。該對稱概念廣泛應用于各種電解液中，提供了高倍率循環性能（Li–Li電池：10 mA cm?2；Li–NCM811電池：7.6 mA cm?2）、持久穩定性（Li–LFP電池（無限鋰）：1,000次循環；Li–NCM811電池（雙倍過量鋰）：400次循環）以及抗濫用的安全性。總體而言，作者的電解液設計同時滿足了實際應用中的安全性和性能要求，并為開發安全、快速循環的鋰金屬電池提供了一條有前景的路徑。 Jang, J., Wang, C., Kang, G. et al. Miniature Li+ solvation by symmetric molecular design for practical and safe Li-metal batteries. Nat Energy (2025). https://doi.org/10.1038/s41560-025-01733-9
