新型硼盐电解液破解锂硫电池寿命难题，中科院青能所崔光磊等AM：大分子含硼盐构建致密界面相助力长循环锂硫电池- 大数跨境

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新型硼盐电解液破解锂硫电池寿命难题，中科院青能所崔光磊等AM：大分子含硼盐构建致密界面相助力长循环锂硫电池

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2025-07-24

导读：新型硼盐电解液破解锂硫电池寿命难题，中科院青能所崔光磊等AM：大分子含硼盐构建致密界面相助力长循环锂硫电池

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文章信息

第一作者：曲德杰

通讯作者：刘涛*，崔子立*，李桂村*，刘志明*，崔光磊*

单位：青岛科技大学，山东师范大学，中国科学院青岛生物能源与过程研究所

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研究背景

锂硫（Li-S）电池凭借其突破700 Wh kg^-1实际能量密度的巨大潜力，成为推动重型电动车和电动航空发展的关键所在。然而，实现这一目标面临严峻挑战：硫正极在独特的“沉积-溶解”转化反应中，不可避免地会产生可溶性多硫化锂（LiPSs）中间体。这些中间体不仅引发严重的“穿梭效应”，更会在锂金属负极表面触发有害的副反应。特别是在追求高能量密度的实际应用条件下（如高硫载量、贫电解液、超薄锂负极），这些副反应将显著加速电解液分解，严重制约电池的循环寿命。因此，能否在锂金属负极构筑稳固的固态电解质界面（SEI）以抵御含有多硫化物电解液的侵蚀，已成为开发长寿命锂硫电池的必由之路。

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文章简介

近日，来自中国科学院青岛生物能源与过程研究所的崔光磊研究员联合山东师范大学的刘涛副教授、青岛科技大学李桂村教授合作，在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“Macromolecular Boron-Based Salt Enables Dense Interphases for Long-Cycling Lithium-Sulfur Batteries”的研究文章，团队突破传统高浓/局部高浓电解液（HCE/LHCE）技术瓶颈，创新设计并成功合成新型大分子硼基锂盐—全氟频哪醇硼酸（LiFPB）。该锂盐巧妙融合强电负性C-F键与含硼基团，一举实现双重核心功能：该新型硼盐与多硫化锂具有较好的化学兼容性，同时其阴离子凭借高比电荷与显著空间位阻，表现出较强的抗亥姆霍兹双电层排斥并优先还原的能力，从而在锂负极侧构筑富含LiF和含硼化合物（LiBxOy）的均匀致密SEI保护层。基于LiFPB的电解液展现出与锂金属负极的卓越兼容性，库仑效率高达99.59%，并成功应用于安时级锂硫软包电池，实现408 Wh kg-1的高实际能量密度且稳定循环75次。此项研究通过锂盐分子层面的理性设计，为实用化高能量密度、长寿命锂硫电池提供了关键电解液解决方案，显著推进了其产业化进程。

图1：LiFPB盐的特性。a) LiFPB 的化学结构；b) LiFPB 阴离子物种的质谱图；c) LiFPB 在氘代二甲基亚砜（DMSO-d₆）中的 11B NMR 谱图；d) LiFPB 在氘代二甲基亚砜（DMSO-d₆）中的19F NMR 谱图；e) DOL、DME、TFSI- 阴离子及 FPB- 阴离子的 HOMO 与 LUMO 能级计算结果；f，g) LiFPB 与 LiTFSI 在锂金属表面的原子构型，并给出相应的结合能及差分电荷密度分布。

图2：Li||Cu 半电池和 Li||Li 对称电池体系，对 LiFPB 盐的电化学性能的系统评估。a) 不同电解液体系中，Li||Li 对称电池在 0.5 mA cm^-2电流密度、1 mAh cm^-2 沉积/剥离容量下的电压-时间曲线；b) 不同电解液体系的 Li||Li 对称电池在不同循环圈数下的极化电压；c) 不同电解液体系中，Li||Cu 电池在 0.5 mA cm^-2 电流密度、1 mAh cm^-2 沉积容量下的库仑效率；d) 不同电解液体系在前 100 次循环中的累积不可逆容量（基于 Li||Cu 电池）；e) 不同电解液体系的 Li||Cu 电池代表性循环电压曲线（虚线：常规电解液；实线：含 LiFPB 电解液）；f) Li||Cu 半电池的 Aurbach库伦效率测试结果；g, h) 常规电解液体系下，不同面容量首次循环后锂沉积形貌的SEM 图像（俯视图与截面图）；i, j) 含 LiFPB 电解液体系下，不同面容量首次循环后锂沉积形貌的SEM 图像（俯视图与截面图）。

图3：锂金属循环稳定性提升的内在机制：含 LiFPB 电解液诱导形成富硼梯度 SEI。锂沉积 5 次循环后，不同电解质的 XPS 表征：a) 传统电解液体系中，F 1s 谱随溅射时间（深度）的变化；b) 含 LiFPB 电解液体系中，F 1s 谱随溅射时间（深度）的变化；c) 含 LiFPB 电解液体系中，B 1s 谱随溅射时间（深度）的变化；TOF-SIMS 三维分布及对应平面成像：d) 传统电解液中Li2F+碎片离子的三维空间分布及其选定平面的二维成像；e) 含 LiFPB 电解液中 Li₂F⁺碎片离子的三维空间分布及其选定平面的二维成像；f) 含 LiFPB 电解液中 BO₂^-碎片离子的三维空间分布及其选定平面的二维成像；g) 不同电解质条件下形成的 SEI 组分分布示意图。

图4：LiFPB盐氧化还原性能评估。a) 基于不同电解液的 Li||Li 对称电池的 Tafel 曲线对比；b) Li||Cu 电池在传统电解液与含 LiFPB 电解液中的循环伏安 (CV) 曲线对比（扫描速率：0.2 mV s^-1）；c) Li||S 电池在含 LiFPB 电解液中不同扫描速率下的 CV 曲线；d) 拉曼光谱对比：纯 DME 溶剂、DME/DOL 混合溶剂、LiTFSI-DME/DOL 电解液及 LiTFSI+LiFPB-DME/DOL 电解液；e) 不同电解液体系在直流极化处理前后的电化学阻抗谱 (EIS) 分析；f) 基于阿伦尼乌斯方程拟合获得的 SEI 膜中 Li⁺ 传输活化能；g) 不同电解液体系的锂硫电池倍率性能对比；h) 循环后锂金属负极表面的杨氏模量原子力显微镜（AFM）图像对比。

图5：不同电解质体系长循环性能比较。a) 硫载量为1.2 mg cm^-2的Li-S电池循环性能（前3次0.1 C，后续0.2 C）。b) 含LiFPB电解液中Li-S电池的充放电曲线。不同电解液中循环100次后的dQ/dV曲线：c) 常规电解液。d) 含LiFPB电解液。e) 不同电压下Li-S电池的原位EIS谱；f) 对应电解液的原位EIS弛豫时间分布（DRT）γ(τ)；g) 硫载量为3.1 mg cm^-2的Li-S电池循环性能（前3次0.1 C，后续0.2 C）；h) 不同循环次数下第二放电平台与第一放电平台的容量比（Q2/Q1）；i) 新鲜锂金属的SEM形貌；j) 常规电解液中循环40次后锂金属的SEM形貌；k) 含LiFPB电解液中循环40次后锂金属的SEM形貌；l) 含LiFPB电解液中循环100次后锂金属的SEM形貌。

图6：含LiFPB盐电解质实际应用潜力。a) Ah级Li-S软包电池的循环性能（硫载量5.5 mg cm^-2，E/S=2.75 μL mg^-1）。b) 施加电场下内亥姆霍兹层中阴离子排斥的示意图。c) LiFPB盐保护锂金属负极的机制示意图。

总之，该研究证实，LiFPB作为锂硫（Li-S）电池的高效共盐，可同时解决多硫化物穿梭效应和锂金属负极降解两大关键挑战。其作用机制在于：LiFPB的引入有助于形成富含LiF和LiBxOy的坚固SEI层，从而显著抑制电解液分解，并实现锂的均匀沉积与剥离。LiFPB优异的电化学性能源于其独特的分子特性—高比电荷与易还原特性，两者协同作用增强了SEI层的稳定性，并最大限度地减少了副反应。该策略的实用性在高硫载量Li-S半电池及Ah级软包电池中均得到充分验证，标志着高能量密度Li-S电池向商业化应用迈出了关键一步。

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文章链接

D. Qu, T. Liu, Y. Sun, Y. Yan, C. Li, Z. Cui, C. Gao, S. Kong, Z. Zhang, Z. Liu, S. Zhang, S. Wang, Z. Lv, G. Xu, G. Li, G. Cui, Macromolecular Boron-Based Salt Enables Dense Interphases for Long-Cycling Lithium-Sulfur Batteries. Adv. Mater. 2025, e05762.

https://doi.org/10.1002/adma.202505762

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通讯作者简介

崔光磊研究员简介：中国科学院青岛生物能源与过程研究所研究员，博士生导师，国家“万人计划”，科技部中青年科技创新领军人才，国家杰出青年科学基金获得者，国务院特殊津贴专家。近几年主要从事高比能固态电池关键材料和系统研发、深海特种电源开发应用及固态光电转换器件的研究工作。先后在能源材料、化学、器件等方面的国际权威杂志Nat. Energy、Nat. Sustain.、Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.等发表文章400多篇，他引30000多次。2022年、2023年被评为科睿唯安 “全球高被引科学家” （交叉领域）。

刘涛副教授简介：山东师范大学化学化工与材料科学学院副教授。长期致力于高比能锂电池的研究与开发，以第一作者或通讯作者在 Nat. Sustain.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Adv. Energy. Mater.等期刊发表论文20余篇，他引3500余次，主持国家基金、山东省基金、博士后特别资助等省级以上项目7项。

崔子立，中国科学院青岛生物能源与过程研究所副研究员，主要从事下一代新型电解质盐的设计合成。在能源材料、化学、器件等方面的国际权威杂志如Energy Environ. Sci.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Energy Lett.等发表文章40余篇，授权中国专利8项，作为负责人主持国家自然科学基金面上、青年项目和德国博世锂盐横向项目等。

李桂村，青岛科技大学材料科学与工程学院教授、博士生导师、院长，曾获“山东省有突出贡献的中青年专家”、“青岛拔尖人才”、“山东省第三届优秀研究生指导教师”等荣誉称号。青岛科技大学新能源材料与器件专业核心课程教学团队负责人。先后主持国家自然科学基金、山东省重点研发（公益类）、山东省自然科学基金、青岛市科技计划等项目，在多个国际期刊发表论文160余篇。主要研究方向为新型电化学储能材料与技术，包括锂（钠、钾）离子电池，镁电池，锌电池等关键电极材料和电解质开发等。

刘治明：青岛科技大学机电工程学院教授，博士生导师，山东省泰山学者青年专家。2018年8月，毕业于韩国汉阳大学，获博士学位。同年，作为青岛科技大学三层次人才，入职机电工程学院新能源科学与工程专业从事教学科研工作，并组建先进储能技术研究团队，团队于2021年获批山东省教育厅高等学校新型电池储能材料与技术研究创新团队，研究方向聚焦于功能性纳米材料的设计开发及在能源存储和转化技术上的应用研究，如锂硫电池、金属空气电池、电催化等。以第一作者/通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Catal.、Energy Storage Mater.、Appl. Catal. B-Environ.等材料、能源和电化学领域国际知名学术期刊上发表文章60余篇，授权发明专利20余项，主持国家及省市级各类基金项目10余项，作为第一完成人和主要参与人获中国技术市场协会金桥奖项目一等奖、山东省科技进步一等奖等奖励。