近日，我所燃料电池研究部先进二次电池研究组（DNL0306组）陈剑研究员团队在锂金属电池电解液设计方面取得新进展。团队提出了一种通过“竞争配位”调控锂离子溶剂化结构的电解液设计策略，为构筑高稳定性金属锂负极提供了新途径。
金属锂负极是高比能电池的关键材料。然而，锂负极在循环中面临严重的界面副反应与枝晶生长等问题，制约其实际应用。电解液中锂离子的去溶剂化行为直接决定了界面反应路径和固体电解质界面层（SEI）的组成与结构。因此，精准调控Li⁺的溶剂化结构，是引导界面良性演化和抑制枝晶的重要手段。
传统策略依赖高浓度含氟组分在电极表面被动形成保护膜。在本工作中，团队提出一种主动“剪裁”锂离子溶剂化鞘层的新方法，设计了一种三元溶剂，以氟代碳酸乙烯酯（FEC）和甲基三氟乙基碳酸酯（FEMC）为基础溶剂，创新性地引入具有更强Li⁺配位能力的碳酸二甲酯（DMC）作为溶剂化结构调节剂。两种氟化溶剂对Li+的配位能力较弱，单独使用时Li+的溶剂化鞘层稳定性不足，导致氟化溶剂分子在锂负极界面发生不可控分解反应。凭借与Li+更强的配位能力，DMC在竞争配位中优先占据锂离子的第一溶剂化鞘层，重构了锂离子的溶剂化结构。当锂离子在负极表面发生电荷转移时，DMC优先于氟化溶剂发生解离，从而抑制了FEC、FEMC在负极界面的过度分解，从源头调控了界面化学反应路径。
这一溶剂化结构设计带来了界面性能的改善。实验表明，采用FEC-FEMC-DMC三元电解液的锂—铜半电池，其循环稳定性优于不添加DMC的全氟电解液。界面分析显示，该机制促使锂负极表面原位生成了一种层状、富含LiF的有序SEI。该SEI具有较高的界面能和机械稳定性，可抑制锂枝晶生长，并改善界面处锂离子的输运动力学。
该工作无需依赖昂贵的全氟化溶剂，仅通过调控不同溶剂组分对锂离子的竞争配位关系，即可实现对电极/电解液界面化学的定向调控。这一“以竞争促调控”的设计理念，为下一代高性能锂金属电池电解液的理性设计提供了新思路。
相关研究成果以“Tailoring Li+ Solvation Chemistry via Non-Fluorinated Co-Solvent in Fluorinated Electrolytes for High Performance Li-SPAN Batteries”为题，发表在《储能材料》（Energy Storage Materials）上。该研究工作的第一作者为DNL0306组已毕业博士朱圣东。上述研究工作得到国家自然科学基金、广东省重点领域研发计划等项目的资助。（文/图 邵钦君）
