南京理工大学付永胜教授、朱俊武教授Angew：双向离子动力学调节器抑制锂枝晶以实现先进锂硫电池- 大数跨境

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南京理工大学付永胜教授、朱俊武教授Angew：双向离子动力学调节器抑制锂枝晶以实现先进锂硫电池

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2025-06-09

导读：南京理工大学付永胜教授、朱俊武教授Angew：双向离子动力学调节器抑制锂枝晶以实现先进锂硫电池

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文章信息

一种抑制先进锂硫电池中锂枝晶的双向离子动力学调节器

第一作者：江军

通讯作者：朱俊武，付永胜

单位：南京理工大学，湘潭大学

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研究背景

枝晶的不可控生长仍然是阻碍电池实现高安全稳定性能的关键难题。在液态锂硫电池中，电解质组分对于锂离子的沉积/剥离过程具有决定性影响。然而，目前绝大多数的枝晶抑制策略主要集中于对锂离子的迁移调控，从描述枝晶生长的桑德公式中可以发现，阴离子的迁移行为实际上对枝晶的产生具有更为显著的影响，因此，实现对阴/阳离子的双向迁移调控对实现抑制锂枝晶产生至关重要。

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文章简介

基于此，来自南京理工大学的付永胜教授与朱俊武教授团队在国际知名期刊” Angewandte Chemie International Edition”上发表题为” A Bidirectional Ion Kinetic Regulator Suppressing Lithium Dendrites in Advanced Lithium-Sulfur Batteries”的研究论文。该论文提出了通过引入一种能够自发与阴离子TFSI-络合形成空间八面体过渡产物的双向离子动力学调节器以有效降低阴离子迁移速率，同时通过改变锂离子溶剂化结构以促进锂离子去溶剂化与迁移，从而实现对阴/阳离子的双向迁移调控，最终实现对锂枝晶产生的有效抑制。

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本文要点

要点一：双向离子动力学调节器与TFSI-形成的独特的八面体配位及其对锂离子溶剂化结构的影响。

图1. （a）Ni-HAB在含/不含LiTFSI的DME中的Zeta电位。（b）Ni-HAB、LiTFSI及其混合物的UV-Vis光谱。（c）含/不含LiTFSI的Ni-HAB的M-H磁滞回线。（d-g）不同配位条件下Ni的d轨道态密度分布及3d电子轨道占据图。（h）LiTFSI与Ni-HAB范德华表面的MESP分布。（i）Ni-HAB与LiTFSI的可能配位过程及相应形成能垒（Ea）。（j）Ni K边XANES光谱及局部放大图。（k-l）Ni-HAB（k）和Ni-HAB&LiTFSI（l）的小波变换图。（m）不同电解液、溶剂及LiTFSI的拉曼光谱。（n-p）空白电解液（n）、Ni-HAB电解液（o）的TFSI⁻ S-N-S弯曲峰拟合及其溶剂化结构含量（p）。（q）含Ni-HAB电解液的电池在不同扫描速率下的沉积峰。（r）峰电流与扫描速率的线性关系。（s）由沉积峰曲线得出的不同电池实际充电量。（t）不同电解液中的离子迁移数。

要点二：不同溶剂化结构中的 Li+ 沉积过程和结果。

图2.（a-b）原位光学显微镜观察空白电解液（a）和Ni-HAB电解液（b）中Li⁺沉积过程及形貌。（c）不同电解液组装的Li-Cu电池平均库仑效率（CE）测试。初始在Cu箔上以1 mA cm⁻²电镀3 mAh cm⁻²锂，随后以1 mA cm⁻²循环10次。（d）不同电解液组装的Li-Cu电池在0.5 mAh cm⁻²下的过电位对比。Ni-HAB电解液（e）和空白电解液（f）的Li-Cu电池中0.5 mAh cm⁻²容量的Li⁺沉积形貌SEM图像。（g）空白电解液（上）和Ni-HAB电解液（下）的电场与浓度场有限元模拟。空白电解液（h）和Ni-HAB电解液（i）组装的Li||Li对称电池中Li⁺沉积过程晶面取向变化的XRD表征。

要点三：Li+溶剂化结构调控机理和相应沉积组分的表征。

图3. 两种电解质的分子动力学MD模拟盒子快照：空白电解液（a）、Ni-HAB电解液（b）。两种电解质中Li⁺/O（DME）、Li⁺/O（DOL）、Li⁺/O（TFSI⁻）和Li⁺/Ni⁺（Ni-HAB）的径向分布函数（RDF）图：空白电解液（c）、Ni-HAB电解液（d）。（e）LiTFSI与Ni-HAB分子的前沿分子轨道结构及能量。Li||Li电池在1 mA cm⁻²、1 mAh cm⁻²下循环20次后锂阳极表面SEI层深度剖析：空白电解液（f）、Ni-HAB电解液（g）；循环测试后不同电解质LiǁLi对称电池SEI的O 1s（h, i）和F 1s（j, k）XPS能谱。

要点4：改性电解质对SRR动力学的提升作用及对穿梭效应的有效抑制

图4. （a）Li₂S₆吸附实验上清液的UV-Vis光谱，插图：含/不含Ni-HAB的Li₂S₆照片。（b）Li₂S₆浓度变化及吸附容量。（c）不同电解液中LiPSs的溶解度对比。（d）镍基电极组装电池在2.05 V下的恒电位放电曲线。（e）Li₂S在Ni-HAB电极上沉积的无量纲瞬态电流-时间曲线。（f-g）空白电解液（f）和Ni-HAB电解液（g）组装的Li-S电池原位XRD等高线图表征及相应充放电曲线。空白电解液（h, i）和Ni-HAB电解液（j, k）电池放电过程的原位拉曼光谱，选取特定电压下的光谱图。

要点5：双向离子动力学调节器提高锂硫电池的稳定性和安全性

图5. （a）不同电极的Li₂S₆对称电池CV曲线。（b）不同电解液Li-S电池在不同比电流下的倍率性能。（c）Ni-HAB电解液组装的Li-S电池在不同电流下的充放电曲线。（d-f）不同电解液组装的Li-S电池在0.2 C（d）、1 C（e）和4 C（f）下的循环性能及CE。（g）Ni-HAB电解液高硫负载Li-S电池在0.1 C下的循环性能及CE。（h）Ni-HAB电解液安时级Li-S软包电池在0.1 C下的循环性能及CE。（i）Ah级Li-S软包电池实物照片。（j）Li-S软包电池参数。（k）该工作与近期报道的Li-S软包电池性能对比。

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文章链接

文章链接：A Bidirectional Ion Kinetic Regulator Suppressing Lithium Dendrites in Advanced Lithium-Sulfur Batteries

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202504398

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通讯作者简介

付永胜教授：南京理工大学化学与化工学院教授，博士生导师。江苏省杰出青年基金获得者，江苏省333工程-中青年学术带头人，江苏省六大高峰人才。研究兴趣主要聚焦于低维纳米功能材料设计、理化特性及其在能量存储与转化等领域的应用研究。以第一/通讯作者在J. Am. Chem. Soc., Nat. Commun., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed.等期刊上发表100余篇SCI学术论文，SCI他引6000余次。主持了国家自然科学基金面上项目、江苏省杰出青年基金、江苏省重大战略产品创新成果转化项目等多项国家级和省部级科研项目；作为主要完成人获得了江苏省科学技术一等奖2项（2015，2019），中国材料研究学会科学技术一等奖（2024），江苏省行业领域十大科技进展（2022），江苏省高校自然科学一等奖1项（2016）和江苏省颗粒学创新特等奖1项（2019）。

朱俊武教授：南京理工大学化学与化工学院教授、博士生导师。入选国家高层次领军人才工程，近年来主要从事能源高效利用中材料微结构调控、设计和性质研究。在Nat. Commun., Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc.等期刊上发表SCI论文200余篇，SCI他引18000多次，最高单篇SCI他引1800余次，获授权发明专利40余项。作为主要完成人获国家科技进步二等奖2项，省部级奖励5项。

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第一作者简介

江军：2022年本科毕业于南京理工大学并于同年加入付永胜教授课题组直接攻读博士学位，研究方向主要为新型碳基材料、MOF、COF等新型材料在锂硫电池各关键部件中的应用。相关研究成果发表在Angew. Chem. Int. Ed., Chem. Mater., ‌J. ENERGY CHEM.等国内外期刊上。