宁波大学夏兰联合武汉大学艾新平、美国波多黎各大学吴先勇，最新Angew！不对称硅烷单一溶剂电解质实现超高电压/长循环锂金属电池

第一作者：孙卫、虞倩

通讯作者：吴先勇*，夏兰*，艾新平*

单位：宁波大学，武汉大学、美国波多黎各大学

随着长续航电动汽车/船舶、便携式电子设备和无人机等新兴应用的快速发展，市场对高能量密度电池的需求日益增长。目前，锂离子电池受限于金属氧化物正极和石墨负极的较低容量，能量密度通常仅为150-250 Wh/kg。为提升能量密度，开发高容量且具有大电位差的电极材料至关重要：正极方面，LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂（NCM811）因理论容量高（约 280 mAh・g⁻¹）、工作电压高（>3.7 V）具备竞争力，但在4.3 V截止电压下实际容量仅190-200 mAh・g⁻¹，需将截止电压提升至4.7-4.8 V以实现高比能；负极方面，锂（Li）金属因容量极高（3860 mAh・g⁻¹）、电位极低（相对于标准氢电极为- 3.04 V）成为理想选择，因此高电压（≥4.7 V）Li||NCM811体系被视为实现350-500 Wh・kg⁻¹ 高能量密度电池的有效方案之一。然而，现有电解液难以同时适配高氧化性的NCM811正极与高还原性的Li金属负极：碳酸酯电解液虽在高电位下抗氧化稳定性较好，却易与Li金属形成劣质固体电解质界面（SEI），导致电解液持续分解、锂枝晶生长及电池失效；醚类电解液虽与Li金属兼容性优异，但氧化稳定性差（<4.0 V vs Li/Li⁺），无法满足高电压需求。此前虽有高浓度电解液（HCEs）、局部高浓度电解液（LHCEs）等策略尝试提升醚类电解液的高电压稳定性，但HCEs存在成本高、黏度大等问题，LHCEs中的游离醚溶剂仍易在≥4.7 V下氧化分解，难以突破“4.7 V瓶颈”，因此开发能适配高电压Li||NCM811体系的新型电解液成为关键。

近日，宁波大学夏兰联合武汉大学艾新平、美国波多黎各大学吴先勇团队提出将（3,3,3-三氟丙基）三甲氧基硅烷（TTMS）用作高电压（4.7-4.8 V）长循环Li||NCM811电池的多功能有机硅烷单溶剂，该溶剂分子结构独特，同时包含强溶剂化基团（-OCH₃）与弱溶剂化基团（-CF₃）：C-F键赋予其本征抗氧化性，使电化学窗口宽达6 V，远超传统醚类电解液；强溶剂化-OCH₃基团则助力LiFSI盐的溶解与高浓度溶剂化结构。基于此设计的2.1 mol・L⁻¹（M）LiFSI/TTMS 电解液，本体中形成富含接触离子对（CIPs）与聚集体（AGGs）的独特溶剂化结构，该结构促进阴离子分解，在NCM811正极与Li金属负极表面均生成无机富集界面，从而实现与两极的优异兼容性。在4.8 V超高电压下，Li||NCM811电池采用该电解液循环300次后容量保持率达84.5%；即便在60℃高温、无负极（N/P比=1.76）等更严苛条件下，电池循环300次后容量保持率仍超过80%。此外，该电解液还使电池展现出良好的倍率性能，在0.1 C至3 C倍率下放电容量分别为214、208、199、190、178和157 mAh・g⁻¹，且适配石墨||NCM811软包电池（1 Ah）时，无需脱气或二次密封即可实现600次循环，容量保持率约80%、平均库伦效率达99.81%，为高电压锂金属电池的电解液设计与工程化应用提供了新思路。

提出以（3,3,3-三氟丙基）三甲氧基硅烷（TTMS）作为高电压锂金属电池的单溶剂，其分子结构兼具强溶剂化（-OCH₃）与弱溶剂化（-CF₃）基团：-CF₃中的C-F键（键能527 kJ・mol⁻¹）赋予溶剂本征抗氧化性，使电解液电化学窗口宽达6 V，远超传统醚类电解液（<4.0 V vs Li/Li⁺）；-OCH₃基团则助力LiFSI 盐溶解，最终形成2.1 mol・L⁻¹（M）的LiFSI/TTMS 电解液。该溶剂设计突破了传统醚类电解液的“4.7 V 瓶颈”，同时规避了高浓度电解液（HCEs）成本高、黏度大及局部高浓度电解液（LHCEs）游离溶剂易分解的问题，为高电压适配性电解液开发提供了新分子范式。

2.1 M LiFSI/TTMS 电解液通过分子设计形成富含接触离子对（CIPs）与聚集体（AGGs）的溶剂化结构：Raman 图谱显示其 S-N-S 键振动峰蓝移至～749 cm⁻¹，⁷Li NMR图谱呈现更显著的高场位移，证明Li⁺与FSI⁻相互作用增强；分子动力学（MD）模拟进一步证实，Li⁺第一溶剂化壳层含3 个FSI⁻与1 个 TTMS分子，AGGs占比主导。这种结构促进FSI⁻优先分解，在NCM811正极形成～5.4 nm厚、富含LiF、Li₃N、Li₂SO₄的无机富集体相界面（CEI），在Li金属负极形成致密固体电解质界面（SEI），有效抑制电极腐蚀与锂枝晶生长，实现电极/电解液双兼容。

Wei Sun+, Qian Yu+, Haoran Tian, Qian Qiu, Shen Qiu, Jose Fernando Florez Gomez, Irfan Ullah, Longqing Huang, Xianyong Wu*, Lan Xia*, Xinping Ai*, Asymmetrically Fluorinated Alkoxysilane Single-Solvent Electrolytes Enable High-Voltage and Long-Cycling Lithium Metal Batteries, Angewandte Chemie International Edition, 2025, e17203.

艾新平，武汉大学二级教授。目前为化学电源材料与技术湖北省重点实验室主任、科技部“新能源汽车重大专项”指南专家与总体专家组专家、“储能与智能电网专项”技术委员会项目责任专家及《电化学》《储能科学与技术》《电源技术》副主编。研究领域为锂离子电池、钠离子电池、锂-硫电池、固态电池，以及电池安全性技术。目前已发表SCI论文100余篇，包括以通讯作者发表的Journal of the American Chemical Society、Nature Communications、Energy & Environmental Science、Advanced Materials等。曾获得国家技术发明二等奖、省部级科技成果一等奖等奖项。

夏兰，宁波大学海运学院副教授、特聘研究员，硕士生、博士生导师，宁波市甬江育才工程领军拔尖人才、宁波市青年科技创新领军人才。2013年毕业于武汉大学化学与分子科学学院，获得博士学位；2013~2019年先后在中国科学院宁波材料技术与工程研究所刘兆平团队、诺丁汉大学陈政（George Z Chen）团队从事博士后研究；2019年至今在宁波大学工作。2024年德国慕尼黑工业大学CSC公派访问学者。主要从事二次电池（包括锂离子电池、钠离子电池和锌离子电池等）的防过热安全性、电解质/电解液设计及界面等。主持国家面上/青年项目等纵向科研项目10余项，目前以第一作者/通讯作者在Energy & Environmental Science、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Energy Materials等国内外学术期刊发表SCI论文40余篇，申请发明专利19项，其中已授权10项，专著2件。

吴先勇，博士，2011年取得武汉大学本科学位，2016年取得武汉大学博士学位，指导老师：杨汉西教授。2016至2021年间，分别在美国俄勒冈州立大学、华盛顿大学从事博士后研究，指导老师依次为纪秀磊、刘俊教授。2021年底入职美国波多黎各大学，担任化学系助理教授，博士生导师。目前发表SCI论文66篇，论文他引次数超9000次。研究方向主要集中于新型二次电池体系，主要代表性工作包括：氢离子电池(Nat. Energy 2019)；反向双离子电池(JACS 2019)；铵离子电池(Angew 2017)；铟金属电池(JACS 2023, AFM 2024)；镉金属电池(EES 2024)；钴金属电池(EES 2025)；低酸性锡金属电池(Angew 2024)；高浓度电解液锑金属电池(Angew 2025)；铁金属电池(AFM, 2019)；过渡金属-硫电池(AEM, 2019; Angew, 2019)；普鲁士蓝基钾离子电池(AM2021)。