AFM：不可燃电解液紧凑溶剂化结构实现高压微米硅负极稳定循环

第一作者：耿娟

通讯作者：刘亚辉*，冯金奎*

单位：中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司，山东大学

微米硅因其资源丰富、理论容量高、成本低廉等优势，被视为下一代高能量密度锂离子电池最具潜力的负极材料。然而，微米硅在循环过程中的巨大体积变化导致固体电解质界面膜破裂、电极粉化和持续副反应，严重制约其实际应用。相比于纳米硅，微米硅的合成工艺简单、成本更低、振实密度更高，具有更显著的商业化前景，但如何构建兼具优异力学性能和稳定化学组成的SEI，成为微米硅负极实用化的关键突破口。

近日，来自山东大学的冯金奎教授团队与宝武集团下属中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司的刘亚辉高级工程师合作，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Engineering Compact Solvation Structure of Nonflammable Electrolyte via an Asymmetric Fluorinated Ether to Enable Stable High-Voltage Lithium-Ion Batteries With Micron-Sized Silicon Anodes”的研究论文。本研究基于与中钢矿院的产学研合作，面向低成本、高安全、高能量密度电池体系的产业化需求，开发了一种新型不对称氟化醚（AHEE）功能溶剂，通过调控电解液溶剂化结构，在微米硅负极表面构建了富含LiF的无机主导SEI，显著抑制了微米硅的体积膨胀，实现了高压全电池的稳定循环。

本研究设计合成的不对称氟化醚AHEE，一端为高度氟化链段，产生显著的空间位阻和强吸电子效应，促进Li⁺与FSI⁻阴离子的紧密配位；另一端为乙氧基，提供适度的Li⁺配位能力，平衡溶剂化动力学。分子动力学模拟和拉曼光谱证实，AHEE的引入显著缩短了Li⁺与阴离子的距离，离子聚集体比例大幅提升，为构建无机主导SEI奠定了基础。

得益于紧凑溶剂化结构，FSI⁻阴离子优先在微米硅负极表面分解，形成富含LiF的高模量SEI。该SEI具有优异的力学强度和柔韧性，能够有效缓冲微米硅循环过程中的巨大体积变化。扫描电镜和透射电镜显示，循环后微米硅电极在AHEE电解液中保持完整结构。

AHEE电解液展现出优异的氧化稳定性。在μSi||NCM811全电池中（4.6 V高截止电压），AHEE电解液循环200次后容量保持率达78.3%；在μSi||LFP全电池中，循环200次后容量保持率高达98.2%。dQ/dV分析和XRD表征表明，AHEE电解液有效抑制了高电压下NCM811正极的不可逆相变和晶格收缩，保护了正极结构完整性。

AHEE分子中高度氟化链段赋予其优异的阻燃特性，显著提升了电池体系的安全性。本研究采用的微米硅原料成本低廉，电解液配方基于商业化碳酸酯平台，具备良好的工艺兼容性。本工作与宝武集团下属中钢矿院的合作，进一步打通了从基础研究到产业化应用的链路，为低成本、高安全、高能量密度硅基电池的实用化提供了可行路径。

Engineering Compact Solvation Structure of Nonflammable Electrolyte via an Asymmetric Fluorinated Ether to Enable Stable High-Voltage Lithium-Ion Batteries With Micron-Sized Silicon Anodes

冯金奎：山东大学材料科学与工程学院教授，博士生导师，入选国家级青年人才、山东省杰青、泰山学者青年专家、山东大学中青年学者。山东大学材料物理化学研究所副所长。全球高被引科学家，第一位获得山东省自然科学二等奖。1999-2008本硕博毕业于武汉大学化学与分子科学学院，2008-2012在新加坡国立大学和美国宾夕法尼亚州立大学从事博士后研究工作，2012年至今在山东大学材料科学与工程学院工作。主要研究从事二次电池材料研究，在高能量密度水系和非水系二次电池取得一系列创新性成果。在Adv. Mater. Energy & Environmental Science、Advanced Energy Materials、ACS Nano、Advanced Functional Materials、Materials Today等期刊发表SCI论文300余篇，总他引17000余次，H因子103。授权专利80余项.

刘亚辉：正高级工程师，现任中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司总经理助理，同时担任中钢集团马鞍山矿院新材料科技有限公司党支部书记、总经理。长期从事新材料领域的科研开发与产业化转化工作，主要研究方向包括碳气凝胶、高性能空心玻璃微珠等新能源材料，推动多项实验室成果向工业化转化。