通过有机阳离子的调节竞争配位机制调整Li⁺溶剂化实现高压、快充锂金属电池

提高锂钴氧化物阴极（LiCoO₂）的充电截止电压，并采用金属锂（Li）（理论比容量为 3860 mAh g^-1）作为电极，可以实现电池的惊人能量密度。在电解质体系中，Li⁺通过离子偶极力和库仑力与溶剂分子和阴离子结合形成独特的溶剂化结构。虽然碳酸盐溶剂的高介电常数提供了高锂盐溶解度，但与Li⁺ 之间强的溶剂化效应也阻碍 Li⁺ 的脱溶剂化结构过程，影响电池在高电流密度下的电池性能。在电解质中加入的其他阳离子也可通过静电作用与 Li⁺ 竞争结合溶剂分子和阴离子形成新的溶剂化结构以降低锂离子的迁移能垒。在竞争溶剂化效应的影响下，Li⁺ 周围的溶剂分子和阴离子减少，从而促进了 Li⁺ 在电解质中的迁移动力学和脱溶剂化过程。离子-偶极子和离子-离子静电相互作用遵循物理定律，与阳离子的电荷强度是正相关的。因此，要实现有效的竞争溶剂化效应，阳离子应具备以下特性：（1）电化学窗口宽；（2）分子电荷强；（3）电化学惰性，即不影响 Li⁺ 氧化还原反应。离子液体（IL）可通过有机阳离子的结构修饰和阴离子的选择表现出所需的特性。同时，惰性有机阳离子可以屏蔽锂电极表面的局部电场聚集，从而均匀化 Li⁺ 沉积。

苏州大学严锋教授（点击查看介绍）课题组等人制备了具有不同数量阳离子位点的离子液体（ILs），并探索了分子电荷对调整 Li⁺ 溶剂化结构和电解质稳定性的影响。分子动力学（MD）模拟和电解质的电化学表征证明，具有多个阳离子位点的有机阳离子能显著促进 Li⁺ 的解离过程，改善电解质的电化学窗口。同时，惰性阳离子调整了电极表面的 Li⁺ 沉积位点，从而实现了均匀的锂沉积。在有机阳离子的作用下，Li||Li 电池在 1 mA cm^-2 的电流密度下实现了 1000 h 的稳定循环。在高电流密度（10 C）下，锂|LCO 电池表现出较高的比容量（136.46 mAh g^-1）和循环稳定性。此外，锂|LCO 电池在 4.6 V 截止电压下表现出较高的可逆性（超过 500 个循环）。这项工作提供了一种有效的方法来调节 Li⁺ 溶剂化结构，并实现 LMB 在高电流密度和高电压下的稳定循环。

图1. 有机阳离子与Li⁺之间的竞争溶剂化作用。

在有机阳离子的积极作用下，Li||LiCoO₂（LCO）电池的循环稳定性显著提升。在高充放电速率（10 C）下显示出较高的比容量（136.46 mAh g^-1）。此外，在 4.6 V 充电截止电压下，Li||LCO 电池显示出良好的容量保持率（500 次循环后为 70%）。这项研究为优化电解质和电池性能提供了新的见解。

图2. Li||LCO电池的电化学性能探究。

这一成果近期发表在Angewandte Chemie 上，文章的第一作者是苏州大学的博士研究生于江涛、马欣雨和邹修洋博士。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Regulated Li⁺ Solvation via Competitive Coordination Mechanism of Organic Cations for High Voltage and Fast Charging Lithium Metal Batteries

Jiangtao Yu, Xinyu Ma, Xiuyang Zou, Yin Hu, Mingchen Yang, Yuanli Cai, and Feng Yan

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202416092

严锋教授简介

严锋教授：苏州大学教授、博士生导师，国家杰出青年基金获得者 (2014)。1994年毕业于南京化工大学，2000年于南京大学获博士学位。2000年10月至2006年5月分别在德国Fritz-Haber研究所、德国Ulm大学 (洪堡学者)、美国Rochester大学和Eastern Michigan 大学从事科研工作。2006年5月受聘于苏州大学材料与化学化工学部。2007年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”，2008年入选江苏省“六大人才高峰计划”，2014年获国家杰出青年科学基金资助，2015年入选江苏特聘教授，2016年入选江苏省“333工程”人才计划(第二层次)，2016年入选科技部科技创新领军人才，2016年被评为江苏省优秀教育工作者，2017年入选国家“WR计划”科技创新领军人才。获2017年江苏省科学技术一等奖(排名第一)。2019年入选苏州市“新时代基层典型”培育对象，2020年入选江苏省有突出贡献中青年专家，2021年入选江苏省“333工程”人才计划(第一层次)，获2022年教育部自然科学二等奖(排名第一)，入选“2023江苏教师年度人物”。兼任Chemical Engineering Journal副主编。

研究领域：聚离子液体；离子凝胶；锂离子电池；燃料电池；柔性可穿戴器件；抗菌聚合物；电致变色器件等。

https://www.x-mol.com/university/faculty/12961