CEJ：阻燃磷腈介导的不对称醚电解质实现稳固的双向界面与可控溶剂化用于高性能Li-SPAN电池

第一作者：李媛

通讯作者：冯金奎

单位：山东大学

商用锂离子电池的能量密度已难以满足下一代高储能领域的需求，而锂硫电池凭借其高能量密度被视为下一代储能系统的理想候选者。其中，SPAN作为一类共价硫正极材料，能有效抑制多硫化物的溶出与穿梭，并克服了传统硫正极与酯类电解液不兼容的难题。然而，酯类电解液与锂金属负极反应活性较高，而醚类电解液的高极性则可能重新引发穿梭效应。因此，开发能同时兼容SPAN正极和锂金属负极的新型电解液体系至关重要。

近日，山东大学冯金奎教授在Chemical Engineering Journal期刊上发表了题为“Enabling robust bidirectional interphases and controlled solvation structure via flame-retardant Phosphazene-mediated asymmetric ether electrolyte for high-performance lithium metal-sulfurized Polyacrylonitrile batteries“的文章。该课题组提出了一种不可燃磷腈和非对称醚协同调控策略，可形成富含阴离子的溶剂化结构，并构建富含无机物的稳固的双向电极-电解质界面。基于该电解液制备的Li‖SPAN电池在1C下循环1200周仍能保持93.5%的高容量保持率。

本研究选用一种具有不对称分子结构的醚类溶剂——1,2-二甲氧基丙烷（DMP）作为电解液的溶剂化组分。与常规使用的1,2-二甲氧基乙烷（DME）相比，DMP分子中引入的甲基侧链在立体结构上产生了显著的空间位阻效应，从而降低了其对锂离子的溶剂化能力。这一结构特性使得DMP在电解液中表现出以下优势：首先，其较弱的溶剂化能力可减少多硫化物在电解液中的溶解，抑制穿梭效应的发生；其次，溶剂化能力的降低促使阴离子更多地进入锂离子的溶剂化鞘层，形成接触离子对（CIPs）甚至聚集体（AGGs），从而有利于在电极表面形成富含无机物、稳定性高的界面层。

乙氧基（全氟）环三磷腈（PFPN）在本研究中被设计为一种多功能共溶剂。PFPN分子中庞大的环状磷腈骨架产生了显著的空间位阻效应，赋予PFPN超弱的溶剂化能力，其对锂离子的配位能力极弱。当其部分替代DMP后，会竞争性地破坏原本由强溶剂化醚类分子主导的溶剂化鞘结构，迫使更多阴离子进入锂离子的第一溶剂化鞘层，形成以接触离子对（CIPs）和聚集体（AGGs）为主的“富阴离子”溶剂化结构。此外，PFPN分子中同时含有的磷、氟元素，赋予了其本征的阻燃特性与高热稳定性，从而显著提升电解液的热稳定性。

无机组分主导的PFPN与阴离子协同作用，在正负极表面同步构建了以无机物为主的稳固界面层。在正极侧，该界面有效抑制了多硫化物的溶出与副反应；在负极侧，则形成了致密且离子导电性良好的固态电解质界面层，显著提升了锂沉积/剥离的可逆性。基于该体系组装的Li‖SPAN电池表现出优异的电化学性能：在1 C倍率下循环1200周后，容量保持率仍高达93.5%。此外，电池在高SPAN载量、低N/P比及贫电解液等苛刻条件下仍能保持稳定循环，展现了该电解质体系在实际应用场景中的良好适配性与可靠性。

Enabling robust bidirectional interphases and controlled solvation structure via flame-retardant Phosphazene-mediated asymmetric ether electrolyte for high-performance lithium metal-sulfurized Polyacrylonitrile batteries

冯金奎，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.

李媛，山东大学2022级博士生。博士期间研究方向为高能量密度锂硫电池用电催化剂和电解液设计。