图 CIPA电解液的设计理念和锂金属软包电池性能

　　在国家自然科学基金项目（批准号：52225105）等项目资助下，中国科学技术大学焦淑红教授联合北京大学徐东升教授、中科院物理所王雪锋研究员和苏州大学程涛教授，在锂金属电池研究领域取得突破性进展。相关研究成果以“紧密离子对聚集体电解质实现长寿命 500 瓦时/公斤 锂金属软包电池（Towards long-life 500 Wh kg−1 lithium metal pouch cells via compact ion-pair aggregate electrolytes）”为题，于2024年7月8日在《自然•能源》（Nature Energy）上发表。论文链接：https://doi.org/10.1038/s41560-024-01565-z。该工作中研究人员通过介观尺度的溶剂化结构设计，提出了一种紧密离子对聚集体（CIPA）电解液，从而实现了500 Wh kg−1锂金属电池的稳定循环。

　　锂金属电池具有极高的理论能量密度（> 500Wh kg−1），约为目前商业化锂离子电池的2倍，因此被视为下一代高比能电池的主要技术路线。锂金属电池目前存在的主要挑战是电解液与电极界面稳定性差导致电池循环寿命较短，限制了其实际应用。近年来，国内外的研究团队开发了多种电解液体系，如高浓盐电解液、局域高浓盐电解液、液化气电解液和弱溶剂化电解液等，通过优化电解液的微观结构尤其是对锂离子的第一溶剂化壳层进行设计和优化，锂金属电池的性能取得了显著提升。但是，这些电解液策略在平衡正负极稳定性方面仍然存在诸多问题，使得锂金属软包电池很难同时获得高能量密度和长循环寿命。

　　针对以上问题，作者提出了一种超越第一溶剂化壳层尺度的电解液设计策略，使阴阳离子对通过紧密堆积的方式形成三维聚集体（AGG）结构，在保持锂金属软包电池高能量密度优势的同时，大幅提升了其循环寿命（图1）。同步辐射光源的X射线散射技术和理论计算模拟的结果表明，在紧密离子对聚集体（CIPA）电解液中，多个离子对之间通过配位作用相互连接，形成锂离子相互距离为6Å左右、最大长度为3~4纳米的大尺寸紧密聚集体结构。然而，传统电解液中聚集体的尺寸普遍较小，长度为1纳米左右，且锂离子之间的相互距离为8 Å左右。得益于紧密离子对聚集体（CIPA）电解液的紧密离子对聚集体（CIPA）结构，该电解液在锂金属负极表面形成了以无机物为主、平均厚度约为6.2纳米左右的固体电解质界面膜（SEI），从而显著提升了锂金属负极的界面稳定性。同时，该电解液能大幅抑制氧化物正极材料的不可逆界面变化，减少了电解液在正极界面的副反应。利用该电解液，采用高镍正极材料（LiNi0.905Co0.06Mn0.035O2）设计了能量密度为505.9 Wh kg−1的锂金属软包电池，并实现了130次（约2750小时）稳定循环，显著优于目前已经报道的文献结果。基于介观尺度的溶剂化结构设计和对界面反应机制的深入理解，为后续设计高比能电池电解质、推动锂金属电池的实用化提供了新的思路。