高性能锂电池新进展：DSCl添加剂辅助溶剂化与界面演化

对高能量密度储能设备日益增长的需求推动了锂金属电池（LMBs）的发展。当与高容量正极材料（如富镍层状氧化物 LiNixCoyMn1-x-yO2，x ≥ 0.6，简称NCM）配对时，锂金属电池有望实现前所未有的能量密度，满足高达500 Wh kg⁻¹的需求。然而，锂金属电池的实际应用受到传统碳酸酯基电解液与锂金属负极和NCM正极高度界面反应性的严重阻碍，进而引发一系列性能和安全问题。这些挑战的核心在于电极与碳酸酯基电解液之间的副反应，在负极形成以有机组分为主的固态电解质界面（SEI），在正极形成正极-电解液界面（CEI），而这两种界面均存在严重的化学不稳定性和机械脆弱性。其结果包括锂枝晶生长、库仑效率低下，以及NCM正极的结构相变和过渡金属（TM）溶解等问题。电解液工程通过调控电极-电解液界面（EEI）和锂离子（Li⁺）溶剂化结构，推动了高能量密度锂金属电池（LMBs）的发展。然而，目前在同时优化内Helmholtz层（IHP）和构建稳定EEI方面仍面临重大挑战，因为现有策略往往忽视了IHP在离子传输和溶剂化动力学中的关键作用。

近日，来自浙江大学的高云芳教授，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Deciphering DSCl-assisted Solvation and Interfacial Dynamic Evolution for High-performance Lithium Batteries”的文章。在该研究中，引入了具有独特分子设计的添加剂——二甲基磺酰氯（DSCl），该添加剂能够精准调控IHP并微调Li⁺溶剂化结构，从而为其对电极与电解液之间分子间及界面相互作用的影响提供了机理洞见。具体而言，DSCl优先吸附在电极表面，调控IHP，营造出低溶剂配位环境，促进离子传输。这一过程有助于在正极形成富含LiCl的正极-电解液界面（CEI），降低Li⁺去溶剂化能垒并提升Li⁺扩散能力；而在负极，则促进形成分层且富含无机组分的固态电解质界面（SEI），增强了机械强度和离子电导率。因此，Li/Li对称电池在0.5 mA cm⁻²/0.5 mAh cm⁻²条件下实现了超过700小时的稳定循环，仅含0.5 wt.% DSCl的LMBs在4.3/4.6 V-LiNi₀.₈Co₀.₁Mn₀.₁O₂体系中展现出优异的循环性能和卓越的倍率性能（即使在9C下亦表现出色）。这些发现强调了DSCl在调控溶剂化和界面稳定性方面的潜力，为推动锂金属电池技术的发展提供了有前景的策略。

文中将内Helmholtz层（IHP）确定为离子传输和溶剂化动力学中至关重要但尚未被充分研究的因素。通过DSCl添加剂对IHP进行工程化调控，本工作为优化多种电化学技术中的电极-电解液界面和离子溶剂化结构提供了可推广的分子设计范式。作者证明了DSCl能够优先吸附在正负极表面，有效调控IHP结构，促进高效离子传输。DSCl通过其与Li⁺的强相互作用，在IHP附近诱导形成低溶剂配位的溶剂化结构，促进富LiCl的CEI生成。Li⁺与LiCl之间的相互作用，以及富LiCl的CEI所具有的低Li⁺扩散能垒，加速了Li⁺的去溶剂化过程，从而提升了体相和界面处的Li⁺扩散动力学。

DSCl独特的分子结构，包含高极性的-SO₂基团和活泼的-Cl基团，使其能够与电极表面形成强配位和静电相互作用，促进优先吸附并精准调控IHP结构，从而营造低溶剂配位环境，通过动态稳定的添加剂辅助界面提升高效Li⁺传输。

在正极，DSCl诱导形成富含LiCl的CEI，具有低Li⁺扩散能垒，加速Li⁺去溶剂化并改善传输动力学；在负极界面，DSCl形成一层保护性分子层，并原位分解生成富含无机组分的SEI，其外层为Li₂CO₃，内层为其他无机成分。这种分层结构有效增强了DSCl衍生SEI的机械强度和离子电导率，实现了快速的Li⁺动力学并保证了锂的均匀沉积。

添加0.5 wt.% DSCl后，4.3 V-Li/LiNi₀.₈Co₀.₁Mn₀.₁O₂（NCM811）电池展现出卓越的循环性能，330圈后容量保持率达80%，几乎是空白电解液（120圈后80%）的三倍。即使在4.6 V的高截止电压下，DSCl也显著提升了Li/NCM811电池的循环寿命。这些结果充分展示了DSCl添加剂在调控电解液溶剂化结构和界面组成方面的协同效应，为提升锂金属电池性能提供了一种高效的解决方案。

高云芳教授简介：高云芳教授，博士生导师，现任浙江工业大学教授，兼石油化工行业电化学能资源转化材料重点实验室副主任、浙江工业大学材料与能源化学研究所副所长及应用化学系实验室主任，长期聚焦废旧电池高值化利用、污染物治理、产品生态设计、电化学合成、电极材料开发与腐蚀防护等方向，主持“十二五”“十三五”国家科技计划、国家重点研发计划及工信部绿色制造示范等十余项国家和省部级课题，并承担60 余项企业技术项目，作为核心骨干参与863、973 等重大项目；已制定国家标准2 项，获授权发明专利20 项、实用新型专利27 项，并取得1 项美国PCT 专利，以第一/通讯作者在《Small》《Journal of Power Sources》《Carbon》《Electrochimica Acta》等国内外期刊发表论文80 余篇，出版《蓄电池技术操作性、失效分析及电池组建配用指南》等著作；荣获中国商业联合会、石化联合会、中国轻工业联合会、浙江省及宁波市等省部级与行业科技奖励7 项；兼任国家科技部“十三五”新能源专家库专家、工信部蓄电池行业规范审核专家组成员、全国再生铅工程研究中心学术委员会主任、中国再生资源产业技术创新战略联盟专家组成员及浙江省各类新能源与绿色产业专家职务，为绿色制造与循环经济的发展提供了重要支撑。

雷悦，浙江工业大学在读博士生。