圖片來源：曹余良教授課題組提出穩(wěn)定化鋰離子電池電解液新思路

11月11日，《美國化學會能源通訊》（ACS Energy Letters）在線發(fā)表了化學與分子科學學院曹余良教授課題組最新研究成果。論文題為《根據(jù)配位數(shù)規(guī)則設(shè)計鋰二次電池先進電解液》（“Designing Advanced Electrolytes for Lithium Secondary Batteries based on Coordination-number Rule”）。化學與分子科學學院博士研究生劉興偉為第一作者，曹余良教授和鐘發(fā)平博士為共同通訊作者。 該研究創(chuàng)新性地提出了配位數(shù)規(guī)則，用于指導高穩(wěn)定性的多功能化鋰離子電池電解液的設(shè)計與開發(fā)，并用多個電解液體系結(jié)合電化學測試、紅外光譜和理論計算等實驗檢驗了配位數(shù)規(guī)則的普適性。該研究從溶劑化結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，原理上解釋了如何根據(jù)配位數(shù)規(guī)則調(diào)控電解液的穩(wěn)定性，為先進鋰離子電池電解液的開發(fā)提供理論指導。 在過去三十年間，鋰離子電池迅速占領(lǐng)了便攜式電子設(shè)備市場，并開始向電動汽車及規(guī)模儲能領(lǐng)域邁進。隨著對鋰離子電池需求越來越旺盛，鋰離子電池的能量密度以及多功能化也得到了更嚴苛的要求。然而，目前鋰離子電池中商用的碳酸乙烯酯（EC）基電解液已成為鋰離子電池發(fā)展的瓶頸，這主要是因為EC不耐高壓、熔點高且易燃，限制了鋰離子電池向更高能量密度、低溫工作和高安全性方向的發(fā)展。盡管許多有機溶劑具有電解液溶劑的優(yōu)良性質(zhì)，但它們均無法與商品化石墨負極兼容。目前，有大量的工作報道了使用高濃度鋰鹽電解液或是稀釋的高濃度鋰鹽電解液來提高這些溶劑的穩(wěn)定性，但這樣的方式會導致很高的鋰鹽濃度或是低的電解液電導率，依然難以在實際體系中應(yīng)用。因此，迫切需要發(fā)展能夠規(guī)模化應(yīng)用的高穩(wěn)定性多功能化的電解液。

圖片來源：曹余良教授課題組提出穩(wěn)定化鋰離子電池電解液新思路

該課題組通過研究，提出了配位數(shù)規(guī)則來增強電解液的穩(wěn)定性，實現(xiàn)上述有機溶劑電解液與石墨負極的兼容性。根據(jù)配位數(shù)規(guī)則，在高配位數(shù)溶劑（HCNS）電解液中引入低配位數(shù)（LCNS）共溶劑，能夠降低電解液溶劑整體的配位數(shù)，迫使陰離子進入鋰離子的溶劑化鞘層與鋰離子絡(luò)合，形成陰離子參與的離子溶劑配位的溶劑化結(jié)構(gòu)。這樣的溶劑化結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的溶劑與鋰離子四配位的溶劑化結(jié)構(gòu)相比具有更好的還原穩(wěn)定性，從而實現(xiàn)了碳酸丙烯酯基、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）基和磷酸三甲酯（TMP）基電解液與石墨負極的兼容性。電化學測試表明，LCNS的引入顯著提高了電解液與石墨負極的兼容性；紅外光譜分峰擬合表明，LCNS的加入降低了電解液中溶劑的配位數(shù)，使陰離子參與了鋰離子的絡(luò)合；密度泛函理論計算表明，陰離子參與的溶劑化結(jié)構(gòu)具有更高的還原穩(wěn)定性。該工作還進一步地提出使用組成式以及結(jié)構(gòu)式來描述電解液的組成和電化學穩(wěn)定性。其中，組成式可以用來描述電解液的物化參數(shù)；而結(jié)構(gòu)式描述了電解液的溶劑化結(jié)構(gòu)，可以預測電解液的電化學穩(wěn)定性。 該工作提出了配位數(shù)規(guī)則，建立了溶劑化結(jié)構(gòu)與電解液電化學穩(wěn)定性之間的關(guān)系，并表明可以通過調(diào)節(jié)電解液的溶劑化結(jié)構(gòu)來調(diào)控鋰離子電池電解液的電化學穩(wěn)定性，為發(fā)展先進的鋰離子電池電解液提供了思路和參考。