高压锂电池新进展

商业电解质由极性碳酸酯溶剂、溶解盐和多种添加剂构成。这种溶剂的高极性具有双重作用：一方面，它促进了锂盐的高效解离；另一方面，由于锂离子（Li+）与溶剂之间的强烈相互作用，解离后的Li+离子的释放过程受到了抑制。为了克服这一限制，浙江大学的范修林教授领导的研究团队提出了一种分子对接电解质（Molecular-docking Electrolyte, MDE）设计策略。该策略通过将溶剂与氟化苯或卤代烷烃等诱导剂混合，利用非典型的氢键效应来促进锂盐的解离，从而加速了Li+的反应动力学并减少了电极的副反应。

基于这一策略，研究团队开发了25种不同的电解质，这些电解质在全电池和软包电池中展现出了高锂电镀/剥离的库仑效率和良好的容量保持率。这项研究的成果发表在《自然·化学》（Nat. Chem.）上，题为"Molecular-docking electrolytes enable high-voltage lithium battery chemistries"。在锂金属电池中，锂枝晶的生长和低库仑效率通常是由不当的溶剂化结构引起的，这导致电极界面处的Li+转移动力学缓慢。研究团队评估了标准电解质和25种MDEs的锂金属电镀/剥离库仑效率，发现某些MDEs能够实现高达99.8%的库仑效率，这得益于它们快速的脱溶能力和优秀的Li+转移动力学，有效抑制了副反应。

除了与锂金属负极的兼容性，电解质还需要适应高压正极材料，以实现电池的最大能量密度。研究团队使用MDEs构建了高载量的NCM811正极的锂金属电池，这些电池与现有的锂离子电池也显示出良好的兼容性。在1 Ah容量、3.4 mAh cm−2的石墨||3.0 mAh cm−2的NCM811软包电池测试中，MDEs在550个循环后实现了98%的容量保持率，而标准电解质在420个循环后仅为80%，这表明MDEs具有更优的稳定性。MDEs还适用于高压LiCoO2（LCO）正极，在20 μm的Li||2.0 mAh cm−2 LCO纽扣电池中显示出高稳定性。使用MDEs的Li||NCM811电池还展示了出色的倍率性能，在1.5 C的充放电速率下，200个循环后保持了90%的初始放电容量，平均库仑效率超过99.9%，证实了MDEs的快速Li+动力学。

这项研究的成果启示我们，通过在非配位溶剂中利用溶剂和诱导剂之间的非典型氢键效应来实现Li盐的解离，可以促进动态的Li+-溶剂配位。开发的25种电解质展现了卓越的电化学性能，锂电镀/剥离库仑效率超过99%。特别是，使用BTP/诱导剂电解质的4.4 V 30 μm Li||2.0 μAh cm−2 NCM811全电池，在700个循环中保持了90%的容量，展现出最高的锂电镀/剥离库仑效率，达到99.8%。此外，使用BTP/诱导剂电解质的1 Ah，3.4 μAh cm−2石墨||3.0 μAh cm−2 NCM811软包电池，在550个循环后维持了98%的容量保持率。