河南工程学院马强、王振领、温州大学肖遥，ESM: 改善阻燃电解液的离子传输实现高能量密度且高安全性的金属锂电池

第一作者：王亚芳

通讯作者：马强*，王振领*，肖遥*

单位：河南工程学院，郑州大学，温州大学

金属锂负极搭配高镍层状氧化物正极被视为下一代高能量密度锂电池体系的最优方案之一，然而，在实际的应用过程中其电极-电解质界面、电解液离子传输、本征安全性等存在诸多挑战，例如：金属锂负极高的反应活性使其在传统电解液中易形成锂枝晶和不稳定固态电解质界面（SEI），存在巨大的安全隐患；高镍正极在满充状态时强氧化性与晶格氧流失，易引发电解液分解和热扩散。阻燃性的磷酸酯类溶剂（如TEP）成本低、热稳定性好且不易燃，被认为是优良的电解液体系选择，但Li⁺与磷酸酯的强相互作用导致离子传输受阻，电极-电解液界面相容性差，制约其电化学性能。因此，开发兼具高效离子传输、优异界面稳定性和阻燃特性的多功能电解液成为关键突破口。

近日，来自河南工程学院马强博士、王振领教授与温州大学肖遥教授合作，在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Ameliorating the ionic transport behavior in nonflammable phosphate towards high-energy and safe lithium metal batteries”的研究论文。设计了一种内置高介电解离库与功能化界面调控添加剂的复合阻燃电解液体系，成功削弱了Li⁺与磷酸酯的强相互作用，构建了连续的离子传输通道，并实现了双向电极-电解液界面的稳定化。

研究团队通过在阻燃电解液体系内引入高介电性能的钛酸钡纳米线（BTONWs），将其作为内置解离动力源引入TEP基电解液中，并添加LiNO₃作为界面调控添加剂，形成了高性能阻燃电解液（HLFRE）。设计的复合阻燃电解液体系能够为锂盐的解离提供连续的去溶剂化动力，有效削弱Li⁺与TEP之间的强相互作用；实验结果及理论计算表明，锂离子的传输沿着BTONWs构建的离子通道有序传输，显著提升了离子传输效率，均一阻燃电解液体系内部的Li⁺传输。功能化添加剂能够有效调控电极-电解质界面的组成成分，从而实现电极-电解质界面的稳定性。

设计的复合阻燃电解质体系中功能化界面添加剂在循环过程中参与SEI膜的形成，调控电极-电解质界面的组成成分，构建了富含Li₃N和LiF的致密SEI层。这种功能化SEI膜不仅能有效保护锂金属负极，抑制锂枝晶的不规则生长，还能减少电解液与金属锂负极间持续的副反应。COMSOL模拟和实验结果均证实，阻燃电解液体系中锂金属表面电场分布更加均匀，锂沉积呈现致密均匀的形貌，而传统电解液中则出现明显的枝晶状沉积。此外，该电解液与高镍NCM811正极形成了厚度约4 nm的均匀无定形界面相（CEI），有效降低了正极的氧化活性，避免了电解液的持续分解，实现了正、负极-电解质界面的双向稳定化。

基于设计的功能化阻燃电解液的Li||NCM811全电池体系展现出优异的电化学性能：在0.2C倍率下放电比容量约为195 mAh g⁻¹，即使在5 C高倍率下仍能保持较高的放电比容量；在1C倍率下循环200次后，容量保持率维持在90%以上，库仑效率接近100%。此外，与商用液态电解液相比，设计的功能化阻燃电解液具有优异的热稳定性，能够有效降低了电池充放电过程中热失控的风险，Li||NCM811全电池在高温测试条件下，能够保持稳定的循环性能和库仑效率，进一步证明其在高温条件下应用的潜力，本研究提出了一种有前景的设计策略，通过引入无机高介电纳米材料来改善 TEP阻燃电解质中 Li⁺-磷酸酯的相互作用，并提高离子传输动力，这将为其他先进电解质中离子传输问题的解决提供有效的设计策略。

Ameliorating the ionic transport behavior in nonflammable phosphate towards high-energy and safe lithium metal batteries

王振领教授，河南工程学院科研处处长，河南省稀土复合材料国际联合实验室主任，河南省特聘教授，河南省学术技术带头人，河南省材料与化工省级重点学科负责人，河南省材料学会副理事长。主要从事稀土复合材料的合成、性能及其在发光及能源催化等方面的应用研究，主持国家自然科学基金面上项目、河南省科技创新人才计划（杰出青年）等项目；以第一作者或通讯作者发表SCI收录论文140多篇，获授权发明专利7项，出版专著2部，获河南省科技进步二等奖1项。

马强博士：2021年加入河南工程学院材料工程学院，硕士/博士在湖南农业大学、中国科学院化学研究所开展研究工作，主要研究领域为高安全性电解质体系及电极-电解质界面的设计研究，主要包括金属锂负极的界面优化和稳定性研究以及先进电解质材料的设计，主持国家自然科学基金青年基金、河南省科技攻关、河南省自然科学基金青年基金等项目；以第一作者或通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy Mater., J. Energy Chem. 等期刊发表SCI收录论文20余篇，获授权发明专利5项。