突破电池性能瓶颈，科学家研发500 Wh/kg高性能锂金属电池！

【科学背景】

随着锂金属电池（LMBs）技术的发展，高能量密度电池的需求日益增加，LMBs因其有望实现超过500 Wh kg−1的能量密度而引起了科学家的广泛关注。其中，电极/电解质界面在二次电池中的质量传输和能量转换效率起着关键作用。然而，由于锂金属负极（LMA）相关的挑战，如锂枝晶的形成和低库仑效率（CE），这一领域的研究面临着巨大的困难。特别是在界面处的锂离子（Li+）溶剂化结构与电场的相互作用研究方面，仍然存在诸多未解之谜。

为了解决这些问题，各国纷纷启动了战略研发计划，以推动LMBs的商业化应用。例如，美国的Battery500联盟和中国的五年计划等。然而，尽管已有许多研究通过调节Li+溶剂化结构来试图优化固体电解质界面（SEI）的形成，如通过溶剂-盐电解质、弱溶剂化电解质和高熵电解质等手段增加接触离子对（CIPs）和聚集体（AGGs）的比例，这些努力在实际应用中仍面临着诸多挑战。电解质设计的目标是稳定电极/电解质界面，从而提高锂镀层/剥离的库仑效率，但在实际应用中，相似的溶剂化化学在不同条件下仍然会表现出不同的电化学性能。

鉴于此，浙江大学范修林团队提出了一种介电策略，旨在通过调控界面电场下的Li+溶剂化物行为，解决LMA相关问题。具体而言，这一策略通过优化介电环境，保持阳离子-阴离子对在界面处的高振荡幅度，从而促进阴离子衍生的SEI形成，并减少电解质在电极/电解质界面的持续消耗。最终，这一研究成功地在工业锂金属软包电池中实现了PFB电解质的应用，并且实现了500 Wh kg−1以上能量密度的电池设计，展示了介电调控策略在高能量LMBs中的巨大潜力。

【科学亮点】

1. 实验首次在锂金属电池中研究了阳离子溶剂化在电极-电解质界面的行为，揭示了外部和分子内电场对锂金属阳极适应Li+溶剂化物的协同效应。通过对带电界面上的阳离子-阴离子对的周期性振荡分布进行观察，发现低振荡幅度会加剧电解质的分解并增加表面阻抗。

2. 实验通过提出一种新的介电策略，有效保持了界面上的阳离子-阴离子配位的高振荡幅度。这一策略通过调节界面电场，防止电解质过度分解，并促进形成稳定的固态电解质界面（SEI），从而提高了电池的库仑效率和能量密度。

3. 实验成功在安时（Ah）级别上实现了一种能量密度为500 Wh kg−1的锂金属软包电池，验证了该介电策略在实际应用中的有效性。此研究为锂金属电池技术的发展提供了新的思路和方向。

【科学图文】

图1：界面电场随介质环境的演变。

图2：分析CE对Li+电解液的依赖性。

图3：Li+溶剂化物的界面动态。

图 4: 实时Li+溶剂化与界面化学之间的相关性。

图 5: 揭示微结构尺寸上的Li沉积。

图 6: Li金属软包电池的电化学性能

【科学结论】

本文的研究揭示了阳离子溶剂化在电极-电解质界面上的复杂行为及其对电池性能的关键影响。作者发现，虽然阳离子溶剂化在体相溶液中已被广泛研究，但在电极-电解质界面上的机制仍不完全明确。研究表明，界面处的阳离子-阴离子对呈周期性振荡分布，且低振荡幅度会加剧电解质分解并增加表面阻抗。为了解决这些问题，作者提出了一种介电策略，通过在界面上保持高振荡幅度来稳定阳离子-阴离子配位，从而有效减少电解质消耗，提升电池性能。通过应用这一策略，作者成功实现了使用超低量电解质的锂金属软包电池，能量密度达到500 Wh kg−1。这一发现不仅优化了电池界面的电化学性能，也为电池技术的进一步发展提供了新的方向。本文的研究为如何调控固/液界面的电化学行为提供了宝贵的见解，对未来高能量密度电池的设计与应用具有重要的指导意义。

参考文献：Zhang, S., Li, R., Deng, T. et al. Oscillatory solvation chemistry for a 500 Wh kg−1 Li-metal pouch cell. Nat Energy (2024). https://doi.org/10.1038/s41560-024-01621-8