北京市科学技术委员会、中关村科技园区管理委员会 科技前沿 中国科学院物理研究所等利用新型电解液发展出长寿命锂金属软包电池

随着移动设备、电动汽车和大规模储能系统对能源需求的日益增长，开发具有更高能量密度、更长循环寿命和更高安全性能的电池变得尤为重要。锂金属电池因理论能量密度超过500 Wh kg-1而成为研究热点。而锂金属电池的商业化进程受限于其有限的循环寿命，这主要是由于电解液与电极界面稳定性较差。传统的电解液难以兼容锂金属负极和高压正极，经常需要在两者之间做出妥协。因此，设计出在负极和正极均具有高稳定性界面的电解液，是实现高能量密度锂金属电池的关键。近期，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心特聘研究员王雪锋联合北京大学、中国科学技术大学、苏州大学的科研人员，报道了具有独特纳米级溶剂化结构的接触离子对聚集体（CIPA）电解液。其中，离子对密集地排列形成大尺寸的聚集体，可以通过集体电子转移过程促进锂金属负极快速界面还原动力学，从而形成稳定的界面。采用高镍正极组装的505.9 Wh kg-1锂金属软包电池，经过130个循环后能量保持率为91%。该工作采用冷冻透射电子显微镜，结合一系列先进的表面分析技术，研究固态电解质界面膜的结构、成分和空间分布。在结构上，CIPA电解液在锂金属负极表面形成薄且均匀的SEI膜。该膜平均厚度约为6.2 nm，低于局部高浓电解液中所形成的SEI膜。两种电解液中形成的SEI膜都表现出有机–无机复合结构，其中CIPA电解液所形成的SEI膜中Li2O纳米晶粒尺寸和分布表现出更高的均匀性。在成分上，与CIPA电解液相比，LHCE-G3电解液形成的SEI中LiF含量较少且C-和O-的信号更强，表明FSI−阴离子分解减少，溶剂分解更为严重。在空间分布上，CIPA电解液衍生的SEI膜中C-和S-元素从内到外分布更加均匀，而LHCE-G3电解液在SEI膜的外层检测到明显的C-信号，而S-信号则在内层集中，说明LHCE-G3电解液的还原行为是不均匀的，这会引发局部的锂沉积，导致锂枝晶的形成。研究综合界面表征结果发现，CIPA电解液中FSI−阴离子通过集体电子转移机制迅速还原，形成富含LiF和Li2O且低有机含量的SEI膜。这种稳定的SEI层为锂金属负极提供了有效保护，防止了进一步的副反应，从而增强了锂金属电池的循环稳定性和安全性。相关研究成果以Towards long-life 500 Wh kg-1 lithium metal pouch cells via compact ion-pair aggregate electrolytes为题，发表在《自然-能源》（Nature Energy）上。研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项等的支持。