官方网站-首页

【导(dǎo)语(yǔ)】锂(lǐ)金(jīn)属(shǔ)电(diàn)池(chí)因(yīn)其(qí)高(gāo)能(néng)量(liàng)密(mì)度(dù)和(hé)低(dī)电(diàn)化(huà)学(xué)电(diàn)位(wèi)被(bèi)视(shì)为(wèi)下(xià)一(yī)代(dài)高(gāo)能(néng)电(diàn)池(chí)的(de)“理(lǐ)想(xiǎng)之(zhī)选(xuǎn)”。然(rán)而(ér)，高(gāo)电(diàn)压(yā)下(xià)的(de)稳(wěn)定(dìng)性(xìng)问(wèn)题(tí)一(yī)直(zhí)是(shì)其(qí)实(shí)用(yòng)化(huà)的(de)难(nán)题(tí)。近(jìn)日(rì)，中(zhōng)山(shān)大(dà)学(xué)的(de)研(yán)究(jiū)团(tuán)队(duì)通(tōng)过(guò)分(fēn)子(zi)结(jié)构(gòu)工(gōng)程(chéng)策略，构建了一种三元复合电解液添加剂体系PAFE，有效提升了锂金属电池在4.7 V电压下的循环稳定性和安全性。这项研究不仅为锂金属电池的高电压应用提供了新策略，还展示了从实验室研究向产业化转化的(de)潜(qián)力(lì)，为(wèi)高(gāo)能(néng)量(liàng)密(mì)度储能器件的发展奠定了坚实基础。

锂金属电池，因其极高的理论能量密度和极低的电化学电位，被视为下一代高能电池的“理想之选”。然而，想让这位“高能选手”稳定地在高电压下工作，却并不容易。

特别是在充电截止电压达到4.7 V时，传统电解液往往力不从心：电解液分解、界面层（SEI/CEI）破裂、锂枝晶生成、容量迅速衰减……这些“老问题”严重阻碍了锂金属电池的实用化步伐。

近日，来自中山大学材料科学与工程学院的王成新(xīn)/雷(léi)丹(dān)妮(nī)研(yán)究(jiū)团队利用分子结构工程策略，构建了一种三元复合电解液添加剂体系PAFE：通过Al(EtO)3与氟代碳酸乙烯酯和乙氧基五氟环三磷腈分子的协同配位，在电极表面原位聚合形成均匀的固态电解质界面，同步缓解三元正极晶格应力并抑制负极枝晶，提升了锂金属电池在4.7 V电压下的循环稳定性和安全性。

三种添加剂，构筑一个“理想界面”

PAFE的核心在于一种精心设计的三元配方：乙醇铝（Al(EtO)3）、氟代碳酸乙烯酯（FEC）和乙氧基（五氟）环三磷腈（PFPN）。它们在传统碳酸酯基电解液中协同反应，形成了一个独特的三维交联聚合网络。

这个聚合网络具有多重功能：

均匀化锂离子流：使LiF、Li3N、Li3P、Al2O3等无机组分在SEI/CEI中均匀分布，从而实现更加均匀的锂离子传输；

降低锂离子迁移能垒：显著提升离子传导速率，改善电池的倍率性能；

提升机械强度与热稳定性：形成更致密、更坚固的界面层(céng)，有(yǒu)效(xiào)抑(yì)制(zhì)锂(lǐ)枝(zhī)晶(jīng)生(shēng)长(zhǎng)；

增(zēng)强(qiáng)阻(zǔ)燃(rán)性(xìng)：PFPN分(fēn)解(jiě)产(chǎn)物(wù)具(jù)有(yǒu)优(yōu)异(yì)的(de)阻(zǔ)燃(rán)作(zuò)用(yòng)，提(tí)升(shēng)电(diàn)池(chí)安(ān)全等(děng)级(jí)。

电解液设(shè)计(jì)策(cè)略(è)。（a-c）不同电解液中锂离子在界面迁移的活化能。PFE（d）和PAFE（e）中形成的电极/电解质界面示意图。（f）BE和PAFE电解液的可燃性测试。BE（g）和PAFE（h）中形成的SEI和CEI的保护机制。

性能验证：高电压下的稳定长跑

研究团队在一系列实验中验证了PAFE电解液的实际效果：

在4.7 V高压下运行140个循环后，容量保持率依然高达80%，表现远优于使用传统电解液的对照组；

在商用NCM811正极和锂金属负极组合下，1 Ah软包电池实现了80次稳定循环，无明显鼓胀或容量衰减。

Li||NCM811 电池的电化学性能。（a-d）纽扣电池在不同电解液中的循环性能和充放电曲线。（e）1 Ah Li||NCM811软包电池在3.0-4.7 V电压范围内的循环性能。使用BE电解液的电池（f）在循环20次后出现明显膨胀，而使用PAFE电解液的电池（g）循环80次后没有出现明显膨胀，证明PAFE有效抑制了气体的产生。（h）PAFE优于最近最先进的电解液体系。

研究意义与应用前景

这项研究表明，通过精确调控电解液中的添加剂反应，可以在电池运行初期(qī)就(jiù)“设(shè)计(jì)好(hǎo)”所(suǒ)需(xū)的(de)界(jiè)面(miàn)结(jié)构(gòu)。这(zhè)不(bù)仅(jǐn)改(gǎi)善(shàn)了(le)锂(lǐ)金(jīn)属(shǔ)电(diàn)池(chí)在(zài)高(gāo)电(diàn)压(yā)下(xià)的(de)性(xìng)能(néng)，也(yě)为(wèi)未(wèi)来(lái)构建更高电压、更高能量密度的系统提供了可借鉴的界面策略。

在实际应用场景中，PAFE 体系的组成具有显著的工程化优势：除 Al(EtO)3添加剂外，其余组分均为商业电解液的常用成分，这一特性极大降低(dī)了(le)体(tǐ)系(xì)的(de)应(yīng)用(yòng)门(mén)槛(kǎn)与(yǔ)兼(jiān)容(róng)性(xìng)成(chéng)本(běn)。尤(yóu)为(wèi)重(zhòng)要(yào)的(de)是(shì)，Al(EtO)3的(de)制(zhì)备(bèi)工(gōng)艺(yì)简(jiǎn)单(dān)高(gāo)效(xiào)，目(mù)前(qián)已(yǐ)在(zài)实(shí)验(yàn)室(shì)实(shí)现(xiàn)批(pī)量(liàng)低(dī)成(chéng)本(běn)合(hé)成(chéng)，为(wèi)该(gāi)体(tǐ)系(xì)从(cóng)实(shí)验(yàn)室(shì)研(yán)究(jiū)向(xiàng)产(chǎn)业(yè)化(huà)转(zhuǎn)化(huà)奠(diàn)定了坚实基础。这种兼具材料普适性与制备经济性的设计，使其在提升电池性能的同时，具备了规模化应用的可行性。

总结

将“添加剂”这颗小螺丝钉调得精准有力，便可撬动锂金属电池这个庞大系统的稳定性提升。这正是PAFE体系的亮点所在：以微观结构优化促进宏观性能跃升，为高能量密度储能器件的发展打下坚实基础。这项成果已发表于《国家科学评论》（National Science Review）。