鋰金屬具有極高的理論比容量和最低的電極電勢，是下一代高能量密度電池體系的理想負極。然而，在快充條件下，鋰枝晶生長造成的電池內(nèi)短路問題嚴重制約了其實際應(yīng)用。目前，現(xiàn)有電解液工程通過優(yōu)化鋰負極固體電解質(zhì)界相或提升鋰離子傳導(dǎo)的方法，均難以解決嚴苛工況條件下超快充電的技術(shù)瓶頸。
針對上述問題，研究團隊深入剖析了超快充條件下鋰金屬沉積機制，打破了界面反應(yīng)由離子脫溶劑化和固態(tài)電解質(zhì)界相主導(dǎo)的傳統(tǒng)認識，提出了基于溶劑化結(jié)構(gòu)空間電子分布的電解液設(shè)計新策略。團隊通過理論計算設(shè)計和篩選了不同的溶劑分子結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)新型醚類分子MTP的孤對電子軌道與鋰離子配位時呈現(xiàn)共平面對齊的獨特結(jié)構(gòu)，這與傳統(tǒng)溶劑形成的空間錯位電子結(jié)構(gòu)存在顯著差異，該特性進一步得到單晶衍射分析及多譜學(xué)表征結(jié)果的證實。研究表明，這種共平面對齊的溶劑化空間電子構(gòu)型有利于與鋰離子的空軌道形成強電子耦合，促進了電極界面反應(yīng)中電子向鋰離子的高效轉(zhuǎn)移，從而實現(xiàn)了電解液離子傳導(dǎo)速度與界面電子轉(zhuǎn)移動力學(xué)的協(xié)同提升。因此，在高電流密度下，MTP電解液實現(xiàn)了鋰金屬的均勻沉積，抑制不可控的鋰枝晶生長，顯著延長了超快充鋰金屬電池的循環(huán)壽命。
在超低電解液用量的嚴苛工況下(0.80 g Ah?¹)，使用MTP電解液的工業(yè)級2AhLi||NMC811軟包電池實現(xiàn)了4C(<15分鐘充電100%)的超快充電，而未發(fā)生電池短路現(xiàn)象。此外，400 Wh kg?¹級的鋰金屬軟包電池在4C超快充放電條件下，仍能展現(xiàn)出>80%的可逆容量和>100次循環(huán)周期，充電功率密度高達1747.6 W kg-1，遠超現(xiàn)有文獻報道。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院博士生阮弟根和博士畢業(yè)生陳順強為本文共同第一作者，任曉迪和美國SES AI許康博士為通訊作者，合作者包括美國俄亥俄州立大學(xué)吳屹影教授、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)焦淑紅教授和曹瑞國教授等。本工作同時獲得了武漢大學(xué)黃冰教授、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院朱中良博士、合肥工業(yè)大學(xué)朱衛(wèi)多博士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)蔣彬教授在理論計算和材料表征方面的幫助。本研究得到了科技部國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院攻堅專項和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的支持。
