冯金奎教授，ESM：不可燃富氟高熵电解液调节溶剂配位用于安全和高能量密度的锂金属电池

第一作者：倪志玮

通讯作者：冯金奎*

单位：山东大学

由于商业化锂离子电池的能量密度已接近理论值，开发具有更高能量密度的储能体系至关重要。由于锂金属具有最低的氧化还原电势（-3.04 V 对比标准氢电极）和最高的理论容量（3860 mAh g^-1），重新受到研究者们的关注。三元正极（LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂）因为其高的理论比容量和工作电压，一直是高能电池体系的正极首选。当锂金属搭配高电压（通常＞4.5 V）三元正极时，其能量密度可以达到最高。然而，无论是酯类电解液（对负极不稳定）还是醚类电解液（对高压正极不稳定）都不满足使用条件。与此同时，由于三元正极热失控时极易析氧，搭配三元正极使用的储能体系一直面临严重的安全问题，且低温性能差强人意。因此，开发一种耐高压、低温、对锂金属稳定且不可燃的电解液至关重要。

近日，来自山东大学的知名教授冯金奎，在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Nonflammable F-rich High-Entropy Electrolytes with Manipulated Solvent Coordination for Intrinsically Safe and High-Energy Lithium Metal Batteries”的文章。该文章开发了一种耐高压、低温的不易燃高熵电解液，实现了4.8V Ah-level软包电池的稳定运行。

氟化会降低溶剂的溶剂化能力，削弱锂离子和溶剂的相互作用。高熵环境通过增加体系的混乱度，也可以达到相同的作用，同时还可以解离大的离子团簇，提升离子迁移系数。因此，本文通过设计一种全氟高熵电解液，最小化了溶剂-离子相互作用，提升氧化稳定性的同时，稳定了正负极界面。

LSV和泄漏电流测试证实了该设计的确提升了电解液的氧化稳定性，同时全氟赋予了电解液本征不可燃性。核磁和拉曼光谱则证明了最小化的离子-溶剂相互作用。

锂对称电池和锂铜半电池成功证明了所设计电解液对锂金属的稳定性，温度依赖的DRT分析则证明了由最小化离子-溶剂相互作用导致的低电荷转移阻抗。

采用分子动力学模拟证实了高熵电解液带来的溶剂化结构的多样性，避免产生通常会限制锂离子迁移速率和界面动力学的单一溶剂化结构。

通过组装Li||NCM 811全电池，证明了所设计电解液的优势，支持软包电池在4.8V 的高截止电压下运行，且达到355 Wh Kg的能量密度，远超目前商用锂离子电池能量密度。同时，全电池还可以在-20℃ 下稳定运行，保证了低温可用性。

证明了所设计电解液衍生了有力的界面层保护了正极材料，抑制了层状到岩盐相的相变。

Nonflammable F-rich High-Entropy Electrolytes with Manipulated Solvent Coordination for Intrinsically Safe and High-Energy Lithium Metal Batteries

倪志玮，山东大学2024级博士生。博士期间研究方向为高能量密度锂金属电池电解液设计。