清華新聞網(wǎng)12月3日電 近日，清華大學(xué)化工系劉凱課題組在極端工況鋰電池電解液領(lǐng)域取得重要研究進(jìn)展。
極端條件下的鋰電池（LMBs）嚴(yán)重受限于緩慢的界面動(dòng)力學(xué)和不穩(wěn)定性的電極-電解質(zhì)界面（SEI and CEI），然而研究人員缺乏在分子層面的對(duì)電極-電解質(zhì)界面進(jìn)行理性調(diào)控的基礎(chǔ)，且目前大部分研究?jī)H關(guān)注鋰金屬負(fù)極側(cè)的SEI設(shè)計(jì)。相比之下，高壓正極側(cè)CEI界面的結(jié)構(gòu)和性能研究嚴(yán)重缺乏，有限的CEI設(shè)計(jì)策略和調(diào)控手段嚴(yán)重限制了LMBs的綜合電化學(xué)性能（尤其在極端條件下）。
劉凱課題組設(shè)計(jì)開發(fā)了一類全新的特殊不對(duì)稱鋰鹽，致力于構(gòu)建特殊的陰離子衍生CEI化學(xué)。基于傳統(tǒng)的磺酰亞胺鋰鹽，設(shè)計(jì)合成的一類亞磺酰亞胺鋰鹽（LiSTFSI和LiBSTFSI），相較于傳統(tǒng)的磺酰亞胺鋰鹽（例如LiTFSI）具有特殊的氧化性，能夠在正極表面構(gòu)筑陰離子衍生的界面化學(xué)。
圖1.商業(yè)化磺酰亞胺鋰鹽LiTFSI與亞磺酰亞胺鋰鹽LiSTFSI和LiBSTFS的設(shè)計(jì)思路及理化特性
圖2.STFSI-陰離子的電化學(xué)氧化耦合聚合機(jī)理及其衍生的界面化學(xué)
不對(duì)稱鋰鹽LiSTFSI可以在高壓正極表面觸發(fā)特殊的陰離子電化學(xué)氧化耦合聚合機(jī)理，構(gòu)筑一個(gè)由N-S為主鏈的陰離子無(wú)機(jī)聚合物覆蓋的雙層CEI。界面中特殊的無(wú)機(jī)陰離子聚合物能夠同時(shí)表現(xiàn)出無(wú)機(jī)物的硬度和聚合物的韌性，賦予界面優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性。同時(shí)，無(wú)機(jī)陰離子聚合物能夠在CEI中附加固定的負(fù)電荷，其與鋰離子間的庫(kù)倫作用能夠吸引鋰離子進(jìn)而加速正極表面的去溶劑化過程，顯著降低界面的電荷轉(zhuǎn)移阻抗和能壘。這一加速的界面動(dòng)力學(xué)能夠顯著提高鋰金屬電池在極端條件（低溫、高功率）下的電化學(xué)性能。
憑借著這一陰離子衍生的界面設(shè)計(jì)，3.5 Ah工業(yè)級(jí)鋰金屬軟包實(shí)現(xiàn)了最高474 Wh/kg的高能量密度，并能夠在30℃下進(jìn)行14C（56 mA/cm2，功率密度5080 W/kg）的超高功率放電。即使是在-20℃和-40℃下，依然分別能夠?qū)崿F(xiàn)8C（382Wh/kg，3590 W/kg）和4C（321Wh/kg，1517 W/kg）的超高功率放電。
相關(guān)研究成果以“打破磺酰亞胺陰離子的分子對(duì)稱性助力極端工況下的高性能鋰金屬電池”（Breaking the molecular symmetricity of sulfonimide anions for high-performance lithium metal batteries under extreme cycling conditions）為題，于11月28日發(fā)表于《自然·能源》（Nature Energy）。
清華大學(xué)化工系副教授劉凱為論文通訊作者，化工系2021級(jí)直博生陸洋為論文第一作者，化工系博士后曹清彬、章偉立為論文共同第一作者。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和北京市自然科學(xué)基金等的資助。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41560-024-01679-4
供稿：化工系
編輯：李華山
審核：郭玲
