淮北师范大学王璐/肖助兵，AFM：一剂“调和”解两难：MTBE助力锂硫电池高能量密度与双边稳定性- 大数跨境

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淮北师范大学王璐/肖助兵，AFM：一剂“调和”解两难：MTBE助力锂硫电池高能量密度与双边稳定性

科学材料站

2025-12-11

导读：淮北师范大学王璐/肖助兵，AFM：一剂“调和”解两难：MTBE助力锂硫电池高能量密度与双边稳定性

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文章信息

甲基叔丁基醚诱导的内外溶剂化壳协同工程用于实用化锂硫电池

第一作者：王璐

通讯作者：肖助兵*

单位：淮北师范大学

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研究背景

锂硫电池因其极高的理论能量密度（2600 Wh kg⁻¹）、硫资源丰富和环境友好等优势，被认为是下一代高能量储能体系的有力候选。然而，其实际应用长期受困于两大难题：多硫化物（LiPSs）的“穿梭效应” 和锂金属负极的不稳定性。尤其是在贫电解液、高硫载量的苛刻条件下，传统醚类电解液（如DME/DOL）难以同时保证高效的硫转化动力学和稳定的锂负极界面，严重制约了电池的循环寿命和能量密度。近年来，通过调控电解液的溶剂化结构来封装多硫化物，被视为一种有效的解决策略。但如何设计一种内外协同、兼容性强的溶剂化结构，并在实际电池条件下保持优异性能，仍是该领域面临的重要挑战。

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文章简介

近日，淮北师范大学肖助兵教授团队联合河南大学、吉林大学等合作者，在国际权威期刊《Advanced Functional Materials》上发表了题为“Methyl Tert‐Butyl Ether Induced Synergistic Engineering of Inner and Outer Solvation Shell for Practical Lithium–Sulfur Batteries”的研究论文。

该工作创新性地筛选出甲基叔丁基醚（MTBE）作为DME基电解液的共溶剂，成功构建了一种具有“强化内壳，稳定外壳”协同作用的溶剂化结构（LWSE电解液）。该溶剂化结构不仅能高效抑制多硫化物穿梭、加速硫物种转化，实现高度可逆的“α-硫 → α-硫”电化学转化，还能在锂负极表面构筑稳定的界面层，从而显著提升了锂硫电池在实际应用条件下的综合性能。

图1. 相比于传统电解液，使用LWSE锂金属负极和硫正极的界面电化学反应示意图。

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本文要点

要点一：为什么选择MTBE？——基于分子结构性质的设计

研究者基于分子结构调控策略，从降低溶剂化能力和提升抗还原性出发，筛选MTBE分子（图2）。理论计算与实验表明：

• 弱溶剂化能力：MTBE对多硫化物和锂盐的溶解能力弱，主要构成外溶剂壳层，像“保护罩”一样阻止多硫化物接触锂负极。

• 高抗还原性：其较高的LUMO能级意味着更难被锂金属还原，保证了电解液自身的电化学稳定性。

• 促进内壳组装：引入MTBE后，反而促进了强溶剂化能力的DME和TFSI⁻阴离子更有效地进入内溶剂壳层，强化了对Li⁺的配位，降低了脱溶剂化能垒。

图2. (a)二甲醚、甲基叔丁基醚和甲基叔丁基醚的分子结构；(b)、(c)、(d)各自的静电势图；(e) (f) (g)对应的Li+离子解溶剂能。

要点二：性能全面提升——从半电池到实用化软包全电池

基于MTBE优化得到的LWSE电解液（0.5 M LiTFSI DME/MTBE + 0.2 M LiNO₃），展现出全方位的性能优势（图3）：

1.卓越的锂负极兼容性：

Li|Cu电池在0.5 mA cm⁻²下循环850次，库伦效率高达98.7%。Li|Li对称电池稳定循环超过2000小时，极化电压低。沉积锂金属形貌致密均匀，有效抑制了枝晶生长。

2.高效的硫正极电化学：

显著抑制多硫化物穿梭，提升硫转化动力学。在0.2C倍率下循环100次，容量保持率远高于传统电解液（CE）。即使在高载量（4.2 mg cm⁻²）下，仍能保持高面积容量和循环稳定性。

3.惊艳的实用化全电池数据：

在贫电解液（E/S = 3.0 µL mg⁻¹）和高硫载量（4.8 mg cm⁻²）的苛刻条件下，组装N/P比为1.3的软包全电池。实现了高达 385.3 Wh kg⁻¹ 的重量能量密度，显著优于使用传统电解液的电池（327.4 Wh kg⁻¹）。循环30次后，能量密度仍保持在310 Wh kg⁻¹以上，展现了强大的实用化潜力。

图3. 使用两种电解质的CNT/S硫正极的电化学性能：(a)在0.2C下的循环性能和(b)它们的充放电曲线；(c)由(b)得出的差分图；(d) 0.5 C时的循环性能；(e)比率执行情况；(f)高硫面积负荷4.2 mg cm^-2时的循环性能；(g) 锂硫软包电池的循环性能（N/P: 1.3）和(h)使用LWSE的锂硫电池（N/P: 1.3）在LED模块灯组中的应用。

要点三：机制深刻阐释——原位光谱与理论模拟联用

研究通过原位拉曼/XRD、分子动力学模拟、XPS等手段，深入揭示了性能提升的内在机制：

• 原位电化学表征证实（图4），在LWSE中多硫化物中间体的信号极弱，且硫的转化遵循高度可逆的“α-硫 → α-硫”电化学机制，转化效率高。

• MD模拟与光谱分析直观展示了MTBE构成外壳、DME富集于内壳的“封装型”溶剂化结构（图5），并证实该结构促进了Li⁺与DME/TFSI⁻的配位，可保证多硫化物的溶剂化，提升硫正极电化学转化反应动力学。

• XPS分析表明（图6），LWSE能在锂负极表面形成富含LiF、Li₃N等无机物的稳定SEI膜，这是其界面稳定、阻抗低的关键。

图4. 硫正极的原位拉曼结果：(a) LWSE中的充电/放电曲线和(b)等高线图；(c) CE中的充电/放电曲线和(d)等高线图。LWSE中硫正极的原位XRD结果：(e)充放电曲线，(f)-(h)不同衍射角范围内的等高线图。(i) CE和(j) LWSE中硫种的电化学转化过程示意图。

图5. (a) CE和(b) LWSE中S₈^2-周围的径向分布函数，(c)三种含溶解LiPSs溶液的拉曼光谱。(d) 0.5 M Li₂S₈在DME/DOL和DME/MTBE中的7Li-NMR谱比较。(e) MTBE衍生的LiPSs包封溶剂化结构。(f) LiPSs溶剂化结构对LWSE和CE中Li金属负极的影响示意图。

图6.使用不同电解液的锂硫电池循环后锂金属负极的高分辨率XPS光谱分析 (a) LWSE中的S2p， (b) F1s, (c) N1s, (d) CE中的S2p，(e) 1s, (f) N1s。

要点四：总结

本工作通过精巧的分子设计，将常见、低成本的MTBE成功应用于锂硫电池电解液，通过协同调控多硫化物的内外溶剂化结构，一举攻克了抑制穿梭、稳定锂负极、提升动力学等多重难题。所开发的LWSE电解液在接近实用化的测试条件下（低N/P比、贫液、高载量）取得了突破性的能量密度和循环性能。该研究不仅为开发高性能、低成本的锂硫电池电解液提供了全新的材料选择和设计思路，也为理解“电解液-电极”界面化学及溶剂化工程提供了重要的理论和实验依据，有力推动了锂硫电池迈向实际应用的进程。

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文章链接

Methyl Tert‐Butyl Ether Induced Synergistic Engineering of Inner and Outer Solvation Shell for Practical Lithium–Sulfur Batteries

https://doi.org/10.1002/adfm.202527892

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通讯作者简介

肖助兵教授，理学博士，硕士/博士生导师，能源科学与工程学院先进储能与多尺度团队（AESM Lab）负责人，安徽省级领军人才，安徽省江淮英才培养计划杰出项目和河北省自然科学二等奖获得者，先后入选安徽省高端人才引育—青年拔尖人才、安徽省教育厅“杰青”、淮北市特支计划领军人才，长期致力于先进储能材料及器件（锂/钠/钾离子电池和锂硫电池）的基础研究及其产业化应用。主持国家自然科学基金等科研项目10项。以第一作者或通讯作者身份在《Advanced Materials》、《Advanced Energy Materials》、《Advanced Functional Materials》、《ACS Nano》、《Nano Energy》等国际知名期刊发表高水平论文40余篇。

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第一作者简介

王璐，山东大学博士（后），淮北师范大学绿色和精准合成化学及应用教育部重点实验室/能源科学与工程学院校聘副教授，从事高比能、高稳定钾离子电池、锂硫电池等碱金属二次离子电池关键材料及表界面优化，近五年发表SCI论文40余篇，其中以（共同）第一作者/通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Funct. Mater.、J. Energy. Chem.、Adv. Sci.、等国际知名期刊发表十余篇；主持国家自然科学基金、山东省自然科学基金、中国博士后基金面上项目、山东省博士后创新项目等多项，获中国（国际）大学生创新大赛优秀创新创业导师，第十四届“挑战杯”山东省大学生创业计划竞赛优秀指导老师等。