华中科技大学郭新教授团队ESM：巧控双电层，稳住4.6 V高电压！实现长循环准固态锂金属电池

第一作者：王子璇

通讯作者：郭新

单位：华中科技大学

为了实现高能量密度储能，提高电池的充电上限电压是最直接、最有效的方法之一。然而，当电压超过4.5 V正极侧会引发一系列问题，如高电压正极表面高活性导致电解液剧烈氧化；过渡金属溶解；CEI脆弱、结构崩塌；氧释放、相变、阻抗上升等，这些问题使得高电压锂金属电池长循环几乎无法实现。

近日，华中科技大学郭新教授团队在Energy Storage Materials期刊上发表题为“Cyanide-Driven Double-Layer Regulation Enables Long-Lifespan Cycling of High Voltage Quasi-Solid-State Lithium Metal Batteries”的研究成果，提出通过氰基聚合物调控IHP/CEI的“双层协同策略”。

研究显示，CA能以显著更低的吸附能主动附着于LCO表面，并与Co发生稳定配位；与此同时，CA与DFOB-之间的强烈离子–偶极相互作用促使两者在IHP内共同富集，使原本易发生副反应的溶剂分子被有效排斥。有效提高电解质的氧化稳定性并，在界面处形成了一层致密、均匀、富含聚合物-阴离子的复合型CEI，为后续的高电压稳定循环奠定了基础。

在高电压极化下电解质组分在带电LCO正极表面的界面演化行为：分子动力学模拟表明，在液态电解液中，DMS与FEC溶剂会在电极表面显著堆积，而加入CA后，这些溶剂在IHP的分布明显减少，被CA与DFOB-的共同富集所取代，揭示了CA主导的IHP重新构建。原位EC-SERS进一步印证了这一趋势：在液态体系中，随着电压提升，溶剂与自由DFOB-的信号逐渐增强，而PCA体系中这些信号被显著抑制，取而代之的是CA的持续累积与其配位峰的强化，说明CA在界面处优先占位并改变了局部溶剂化结构。对Raman谱峰进一步分解后可以看到，CA的弱配位与强配位状态随电位发生明显演化；同时，在PCA中溶剂与DFOB-更多以“配位态”而非“自由态”存在，表明CA驱动了整体溶剂化结构向高度有序的方向转变。综合MD与原位谱学结果，揭示了CA通过强吸附与离子–偶极作用力主动重塑IHP，使界面由溶剂主导转变为CA-DFOB-主导，为稳定且致密的CEI构筑奠定基础。

在上述界面调控机制下，PCA准固态电解质使Li‖LCO电池在4.6 V高电压下仍保持卓越循环寿命，1 C条件下600周期容量保持率达到84%，且在4.7 V更高电压下依旧保持稳定表现。相比之下，传统液态体系在高电压下迅速衰减。得益于高电压下的卓越稳定性，成功将PCA应用于2.35 Ah软包电池中，将电压上限定为4.6 V，实现了433.6 Wh kg^-1的高能量密度。

PCA 准固态体系展现出显著优于液态体系的热稳定性，其热失控温度从112.7°C提升至182.1°C，峰值温度下降近100°C，大幅减少热失控风险。在针刺实验中，PCA电池没有出现明火或明显危险反应，并能在受损后继续稳定点亮LED，体现了准固态电解质在安全性方面的天然优势。

Cyanide-Driven Double-Layer Regulation Enables Long-Lifespan Cycling of High-Voltage Quasi-Solid-State Lithium Metal Batteries

郭新教授简介：华中科技大学二级教授、国家特聘专家、中国固态离子学会理事、“Solid State Ionics”和“National Science Open”期刊编委、国际固态离子学会（International Society for Solid State Ionics）学术奖评选委员会五名委员之一。2002年至2012年，任德国于利希研究中心（Research Center Juelich, Germany）终身高级研究员；1998年至2002年，作为客座研究员在德国马普固体研究所（Max Planck Institute for Solid State Research, Stuttgart, Germany）从事研究工作。2005年，获美国陶瓷学会Ross Coffin Purdy Award。

华中科技大学材料科学与工程学院“固态离子学实验室”以固体材料中的离子传导为科学基础，以此在信息领域研究类脑芯片及智能感知系统，在能源领域研究固体电解质及固态电池，在环境领域研究气体传感器及仿生智能嗅觉。实验室具有国际一流的实验条件，温馨的学习环境，充足的实验经费。课题组网站：http://hust-ssi.cn。