分子“头盔”破解降解难题！陈宁宁/伊小萍/梁彦瑜CEJ观点：定制弱溶剂化电解质打造长效钾离子电池

第一作者：刘志

通讯作者：梁彦瑜，伊小萍，陈宁宁*

单位：南京航空航天大学/南开大学，中国科学院物理研究所，南京航空航天大学/扬州职业技术大学

钾离子电池因钾资源丰富、成本低廉，被誉为后锂时代的有力竞争者。其中，能够形成稳定固体电解质界面（SEI）的醚类电解质，对提升电池性能至关重要。然而，当前研究多集中于电解质的成分调配，而对其分子结构如何从根本上决定电解质性能与电极稳定性的内在机制，仍缺乏深刻理解。特别是溶剂分子的几何结构如何导致电极降解，这一关键问题长期被忽视。理解其中的构效关系，是实现电解质理性设计、推动钾离子电池发展的核心挑战。

本研究通过系统调制醚溶剂的链长（DEGDME, TEGDME）和末端基团（DEEM），建立了分子结构与界面性质之间的定量关联。研究发现，降低分子中的氧原子密度（减少【-CH₂-CH₂-O】单元）并引入具有空间位阻的末端乙基（如在DEEM中），能显著削弱溶剂与K⁺的相互作用，从而有效调控SEI的组成与电极的降解路径。

文章明确指出，过强的[K⁺-溶剂]相互作用是导致电池失效的根本原因。这种强相互作用会引发两大问题：1）驱使溶剂分子共嵌入石墨层间，机械性地撑开石墨结构；2）与合金负极（如锑）巨大的体积变化产生协同效应，共同引发电极体相的结构坍塌。DEEM的弱溶剂化特性则能从根源上避免溶剂共嵌入，保障电极结构稳定。

通过精巧的电解质交换实验，研究证实了一个超越传统认知的观点：仅靠稳定的SEI无法保证长循环寿命，电极体相的结构完整性同样至关重要。即使预先形成了坚固的SEI，若后续使用的电解质会引发溶剂共嵌入，电极体相仍会遭受不可逆破坏。唯有DEEM这类弱溶剂化电解质，能在形成优异SEI的同时，确保K⁺在嵌入前完全脱溶剂，从而从根本上保障电极体相的完整性，实现长效循环。

Terminal steric shielding resolves solvent co-intercalation degradation: Molecularly tailored weak-solvation electrolytes for structurally durable K-ion batteries

陈宁宁博士简介：2024年07月博士毕业于南京航空航天大学材料科学与技术学院，主要从事离子电池电解质及其界面研究，擅长以电极-电解液界面研究为出发点，结合电化学测试、物性表征和理论计算等方法，揭示溶剂化结构、SEI形成与电池性能之间的“构-效”关系。在ACS Nano，CEJ，J. Energy Chem.等国际期刊上合作发表SCI论文15篇。

伊小萍博士后简介：中国科学院物理研究所博士后，主要从事有机/无机固体电解质和电极材料的合成改性以及下一代新型电池体系的研究，擅长结合计算材料学（DFT、MD、AIMD等）对电池内部的离子输运、相互作用和界面反应行为展开机理研究。在Sci. Adv., Adv. Energy Mater., Energy Storage Mater.等国际期刊上发表SCI论文二十余篇，主持并参与国家自然科学基金青年科学基金项目、国家资助博士后研究人员计划等项目。

梁彦瑜教授简介：南京航空航天大学材料科学与技术学院教授，博士生导师，从事清洁能源材料相关研究。德国马普协会高分子研究所博士后（导师Klaus Műllen院士），2009、2010年连续2年洪堡学者和江苏省“六大人才高峰”第十批高层次人才项目获得者，以第一作者或者通讯作者发表J. Am. Chem., Soc.Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., ACS Catal., Adv. Funct. Mater., J Energy Chem, ACS Nano, Chem. Eng. J.等SCI论文50余篇，单篇索引超过300次，主持包括国家自然科学基金面上项目在内的多项基金。