調控溶劑化和固體電解質層穩定鋰金屬負極

近日，中科院大連化學物理研究所研究員陳劍團隊在金屬鋰電池電解質研究方面取得新進展，采用鋰離子溶劑化調控和固體電解質層形成的雙策略，實現金屬鋰負極的高庫倫效率。相關研究發表于《儲能材料》。

金屬鋰因其最負的電化學勢和高的理論比容量而成為研究的熱點。但是，由于鋰枝晶生長所造成的安全問題長久以來制約著可充電鋰負極的應用。高濃鹽電解液（HCEs）能夠減緩鋰沉積過程中因電極表面鋰離子耗盡所引發的鋰枝晶的尖端生長，穩定鋰電極的循環性能。在HCEs中添加對鋰鹽溶解度低的稀釋劑，可以形成局部高濃度電解液（LHCEs）。LHCEs既保留了高濃度鋰離子的電解質環境，又改善了電解液對隔膜和電極的浸潤性，為發展鋰金屬二次電池提供了一種重要的選擇。

該研究中，團隊利用極性不同的1,3—二氧戊環（DOL）和1,2—二甲氧基乙烷（DME）溶劑，研究了LHCEs中DOL和DME對鋰離子配位的影響，以及對鋰金屬負極充放電反應機制的影響。研究發現，鋰離子在DME和DOL兩種溶劑中表現出明顯不同的溶劑化行為。具有較強溶劑化能力的DME分子緊密結合在鋰離子周圍；而在溶劑化能力較弱的DOL中，陰離子則進入到鋰離子的溶劑化鞘層中。兩種溶劑化效應的差別在添加稀釋劑的LHCEs后，表現地更加明顯。在DOL中加入TTE可顯著改變鋰離子在混合溶劑中的配位結構。拉曼光譜結果顯示，在DOL-TTE中，鋰離子的溶劑化構型以離子聚集體（AGGs）為主，同時游離溶劑的數量顯著減少。而在DME-TTE中，AGGs的比例僅為17.1%。DOL-TTE中強化的離子聚集體有利于在鋰金屬表面形成以陰離子衍生為主的固體電解質層（SEI），并促進均勻的鋰沉積-剝離過程，實現高達99.4%的金屬鋰庫倫效率。

研究表明，與稀釋劑相比，主溶劑優先參與鋰離子的溶劑化，在調節鋰離子的配位結構和構建良好的SEI界面中發揮關鍵作用。研究揭示了溶劑化結構對于改善鋰金屬負極電化學性能的重要性，并提供了一種調控溶劑化能力來實現金屬鋰穩定循環的技術方案，為后續開發具有更高庫倫效率的鋰金屬負極電解質提供參考。