【儀表網 研發快訊】中國科學技術大學任曉迪教授團隊在實用化高比能鋰金屬電池的超快充電領域取得重要突破。研究團隊創制了一種新型電解液溶劑1-甲氧基-3-(3-甲氧基丙氧基)丙烷(MTP)，顯著加速了鋰金屬電極界面的電荷轉移過程并抑制了嚴苛條件下鋰枝晶的生成，在國際上首次實現工業級鋰金屬軟包電池(400 Wh kg-1)的4 C超快充放電穩定運行(<15分鐘充電100%，<10分鐘充電80%)。該研究成果以“Molecularly aligned electronchannelfor ultrafast-charging practical lithium metal batteries”為題，于1月23日在線發表在《自然·能源》期刊(Nature Energy)，為高能量密度電池極端工況下電解液設計提供了全新的分子工程思路。
鋰金屬具有極高的理論比容量和最低的電極電勢，是下一代高能量密度電池體系的理想負極。然而，在快充條件下，鋰枝晶生長造成的電池內短路問題嚴重制約了其實際應用。目前，現有電解液工程通過優化鋰負極固體電解質界相或提升鋰離子傳導的方法，均難以解決嚴苛工況條件下超快充電的技術瓶頸。
針對上述問題，研究團隊深入剖析了超快充條件下鋰金屬沉積機制，打破了界面反應由離子脫溶劑化和固態電解質界相主導的傳統認識，提出了基于溶劑化結構空間電子分布的電解液設計新策略。團隊通過理論計算設計和篩選了不同的溶劑分子結構，發現新型醚類分子MTP的孤對電子軌道與鋰離子配位時呈現共平面對齊的獨特結構，這與傳統溶劑形成的空間錯位電子結構存在顯著差異，該特性進一步得到單晶衍射分析及多譜學表征結果的證實。研究表明，這種共平面對齊的溶劑化空間電子構型有利于與鋰離子的空軌道形成強電子耦合，促進了電極界面反應中電子向鋰離子的高效轉移，從而實現了電解液離子傳導速度與界面電子轉移動力學的協同提升。因此，在高電流密度下，MTP電解液實現了鋰金屬的均勻沉積，抑制不可控的鋰枝晶生長，顯著延長了超快充鋰金屬電池的循環壽命。
在超低電解液用量的嚴苛工況下(0.80 g Ah?¹)，使用MTP電解液的工業級2AhLi||NMC811軟包電池實現了4C(<15分鐘充電100%)的超快充電，而未發生電池短路現象。此外，400 Wh kg?¹級的鋰金屬軟包電池在4C超快充放電條件下，仍能展現出>80%的可逆容量和>100次循環周期，充電功率密度高達1747.6 W kg-1，遠超現有文獻報道。
中國科學技術大學化學與材料科學學院博士生阮弟根和博士畢業生陳順強為本文共同第一作者，任曉迪和美國SES AI許康博士為通訊作者，合作者包括美國俄亥俄州立大學吳屹影教授、中國科學技術大學焦淑紅教授和曹瑞國教授等。本工作同時獲得了武漢大學黃冰教授、中國科學技術大學生命科學學院朱中良博士、合肥工業大學朱衛多博士、中國科學技術大學蔣彬教授在理論計算和材料表征方面的幫助。本研究得到了科技部國家重點研發計劃、國家自然科學基金委、中國科學院攻堅專項和中國科學技術大學的支持。
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