张海涛课题组Advanced Materials：分子缔合化学实现高电压快充锂电池

第一作者：黄浚峰

通讯作者：张海涛 *

单位：西南交通大学

电动汽车和低空经济对长距离快速充电的需求不断增长，推动锂电池向更高的电压（≥4.5 V）和更快的充电/放电速率（≤15分钟）发展。然而，锂电池高压快充（VFC）仍具有巨大挑战，这是由于传统电解液体系溶剂能级和极性之间的固有耦合，会引起两个矛盾问题：（1）低去溶剂化势垒和高离子电导率的矛盾，（2）高氧化稳定性与高还原稳定性的矛盾。

目前，优化VFC性能主要有三种策略。1)基团修饰：在溶剂中引入吸电子（-F, –CF₃,碳酸酯）或给电子（-CH₃, –CH₃O, –NH₂）基团来重新分布电荷，从而调控能级和极性。该方法在一定程度上增强了醚类的电压稳定性或酯类与锂金属的相容性，但未能从根本上解决溶剂能级与极性之间的固有矛盾。2)溶剂化结构优化：提高锂盐浓度已被证明能调控溶剂化结构。高浓度和局部高浓度电解质增强了其与正负极的相容性。然而，这两种方法产生的电解质通常具有粘度相对较高、离子电导率较低的缺点。3) 溶剂共混：通过调整复合溶剂的组分，可以调控电解质的关键物理化学参数，如粘度、离子电导率、氧化/还原稳定性。溶剂共混法是目前实现VFC性能普遍、简便且前景广阔的方法。然而，溶剂共混的潜在机制仍不清楚，目前也缺乏有效的定量描述符来高效筛选溶剂。因此，迫切需要指导性的设计原则和描述符来解耦VFC LBs中低去溶剂化能垒、高离子电导率和高氧化/还原稳定性之间的权衡关系。

近日，来自西南交通大学的张海涛团队，在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“Molecular Association Chemistry Enables High-Voltage Fast-Charging Lithium Batteries”的研究文章。该文章提出一种分子缔合策略，通过解析溶剂间非键相互作用，形成分子缔合能描述符，定向筛选具备高LUMO、低HOMO、中等极性的溶剂组合。在所筛选出的FEC与EA基电解液中，4.7 V下 Li||LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂（NCM811，面容量2.2 mAh cm^-2）纽扣电池在10 C（1 C = 220 mAh g^-1）下仍能保持68.4%的初始容量。400 mAh的Li||NCM811软包电池（50 μm Li负极，NCM811正极面容量4.4 mAh cm^-2）在2.8–4.7 V电压区间内稳定循环超过130周。分子缔合化学通过诱导离子聚集体溶剂化结构抑制NiO相生成，从而增强了高压快充性能。该分子缔合策略也适用于Si@C||NCM811及C||LiFePO₄电池体系。

通过解析溶剂间非成键相互作用，研究了溶剂间普遍的分子缔合现象，建立与高压快充性能联系，提出分子缔合能筛选描述符，指导高LUMO，低HOMO，中等极性溶剂的筛选。

分子缔合电解液促进AGG溶剂化结构，有效降低31%的去溶剂化势垒，提升SEI稳定性70%，抑制NiO相生成，从而增强了高压快充性能。

分子缔合电解液4.7 V下 Li||LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂（NCM811，面容量2.2 mAh cm^-2）纽扣电池在10 C（1 C = 220 mAh g^-1）下仍能保持68.4%的初始容量。400 mAh的Li||NCM811软包电池（50 μm Li负极，NCM811正极面容量4.4 mAh cm^-2）在2.8–4.7 V电压区间内稳定循环超过130周。

Molecular Association Chemistry Enables High-Voltage Fast-Charging Lithium Batteries

张海涛特聘研究员简介：2015年于中国科学院电工研究所电气工程专业获得工学博士学位。中国科学院百篇优秀博士学位论文获得者（2016年度），四川省学术与技术带头人后备人选（2024年度）。主要从事超级电容器和锂电池方面的研究工作。主持国家自然科学基金、科技部重点研发计划、四川省重点科技计划等项目；主研中央军委科技委重点研发计划等项目。在Advanced Materials, Nano Letters, ACS Energy Letters, Advanced Functional Materials等知名期刊发表SCI论文120余篇。发表论文被同行学者在Science、Nature Review Materials、Joule等期刊SCI引用9000余次。出版教材《纳米材料和纳米技术》1部，入选教育部教指委规划教材；出版专著《超级电容器储能材料、器件与应用》1部。获得授权国家发明专利16项，完成转化8项。

黄浚峰，西南交通大学材料学院在读博士，主要研究方向为高压快充锂金属电池的电解液设计。以第一作者身份在Advanced Materials 、ACS Energy Letters、Energy & Environmental Materials等期刊发表多篇论文。