化工系劉凱課題組在極端工況鋰電池電解液領域取得重要研究進展
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清華新聞網12月3日電 近日，清華大學化工系劉凱課題組在極端工況鋰電池電解液領域取得重要研究進展。
極端條件下的鋰電池（LMBs）嚴重受限于緩慢的界面動力學和不穩定性的電極-電解質界面（SEI and CEI），然而研究人員缺乏在分子層面的對電極-電解質界面進行理性調控的基礎，且目前大部分研究僅關注鋰金屬負極側的SEI設計。相比之下，高壓正極側CEI界面的結構和性能研究嚴重缺乏，有限的CEI設計策略和調控手段嚴重限制了LMBs的綜合電化學性能（尤其在極端條件下）。
劉凱課題組設計開發了一類全新的特殊不對稱鋰鹽，致力于構建特殊的陰離子衍生CEI化學。基于傳統的磺酰亞胺鋰鹽，設計合成的一類亞磺酰亞胺鋰鹽（LiSTFSI和LiBSTFSI），相較于傳統的磺酰亞胺鋰鹽（例如LiTFSI）具有特殊的氧化性，能夠在正極表面構筑陰離子衍生的界面化學。
圖1.商業化磺酰亞胺鋰鹽LiTFSI與亞磺酰亞胺鋰鹽LiSTFSI和LiBSTFS的設計思路及理化特性
圖2.STFSI-陰離子的電化學氧化耦合聚合機理及其衍生的界面化學
不對稱鋰鹽LiSTFSI可以在高壓正極表面觸發特殊的陰離子電化學氧化耦合聚合機理，構筑一個由N-S為主鏈的陰離子無機聚合物覆蓋的雙層CEI。界面中特殊的無機陰離子聚合物能夠同時表現出無機物的硬度和聚合物的韌性，賦予界面優異的機械穩定性。同時，無機陰離子聚合物能夠在CEI中附加固定的負電荷，其與鋰離子間的庫倫作用能夠吸引鋰離子進而加速正極表面的去溶劑化過程，顯著降低界面的電荷轉移阻抗和能壘。這一加速的界面動力學能夠顯著提高鋰金屬電池在極端條件（低溫、高功率）下的電化學性能。
憑借著這一陰離子衍生的界面設計，3.5 Ah工業級鋰金屬軟包實現了最高474 Wh/kg的高能量密度，并能夠在30℃下進行14C（56 mA/cm2，功率密度5080 W/kg）的超高功率放電。即使是在-20℃和-40℃下，依然分別能夠實現8C（382Wh/kg，3590 W/kg）和4C（321Wh/kg，1517 W/kg）的超高功率放電。
相關研究成果以“打破磺酰亞胺陰離子的分子對稱性助力極端工況下的高性能鋰金屬電池”（Breaking the molecular symmetricity of sulfonimide anions for high-performance lithium metal batteries under extreme cycling conditions）為題，于11月28日發表于《自然·能源》（Nature Energy）。
清華大學化工系副教授劉凱為論文通訊作者，化工系2021級直博生陸洋為論文第一作者，化工系博士后曹清彬、章偉立為論文共同第一作者。研究得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃和北京市自然科學基金等的資助。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41560-024-01679-4
供稿：化工系
編輯：李華山
審核：郭玲