复旦夏永姚、南航刘振辉， Advanced Energy Materials综述：先进锂离子电池醚基电解液

第一作者：王士竹

通讯作者：刘振辉*，夏永姚*

单位：南京航空航天大学，复旦大学

近年来，随着人们对锂离子电池在能量密度、安全性、宽温域等方面的性能要求越来越高，传统基于EC的碳酸酯类电解液以难以满足日益增长的应用需求。发展新的电解液体系已迫在眉睫。在锂离子电池发展的早期，已有科学家尝试了醚基电解液，但由于与石墨负极的共嵌入问题而最终被淘汰出了早期商用锂离子电池体系。

近年来，随着相关研究越来越多，醚基电解液呈现出了复兴趋势。一方面，通过合理设计醚基电解液可以有效避免与石墨的共嵌入以及氧化稳定性差问题，且在快充和低温性能上都展现出了巨大的应用潜力；另一方面，醚基电解液以其较高的还原稳定性与锂金属负极具有更好的兼容性。在硅负极方面，也有诸多醚基电解液配方展现出了优异性能。本文从锂离子电池石墨负极、硅负极、锂金属负极三个方面对醚基电解液在锂离子电池中的应用进展进行了系统综述，并对醚基电解液面临的关键问题以及未来的发展趋势进行了讨论。

基于此，复旦的夏永姚教授与南京航空航天大学刘振辉助理教授合作，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Advanced Ether-Based Electrolytes for Lithium-ion Batteries”的综述文章。该文章从石墨负极、硅负极以及锂金属负极三个方面对醚基电解液在锂离子电池中的进展进行了综述，并对醚基电解液面临的关键问题以及未来的发展方向进行了讨论。

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图2. 先进醚基电解液在锂离子电池中的优势。

传统的观点认为醚基电解液由于共嵌入现象而与石墨不兼容，但近年来，诸多研究发现通过合理的配方设计，醚基电解液可以在石墨基锂离子电池中展现出由于性能。一方面，通过引入成膜添加剂，或设计高浓盐或局部高浓盐电解液，有利于在石墨负极表面形貌致密稳定的SEI膜，进而抑制醚基溶剂的共嵌入。另一方面，通过弱溶剂电解液的设计，降低锂离子与溶剂的结合能，也有利于避免溶剂进入石墨层间。此外，醚基电解液低粘度、低凝固点、高离子电导率使其在低温锂离子电池以及快充锂离子电池中展现出了巨大潜力。

要点二：醚基电解液在硅负极中的应用

醚基电解液由于其良好的还原稳定性，在负极界面可以实现锂盐中的阴离子优先被还原，进而得到富含LiF的SEI。氟化锂由于具有较高的弹性模量，良好的化学稳定性，以及电子绝缘性，有利于维持硅负极的界面稳定。此外，有些醚基溶剂分子在负极界面反应后可以生成弹性聚合物，能够承受硅负极巨大的体积膨胀。因此，醚基电解液在硅基负极中也具有良好的应用前景。

要点三：醚基电解液在锂金属负极中的应用

由于锂金属较为活泼，常规的酯类电解液在锂金属电池中与锂金属界面的副反应较多。醚基电解液由于具有良好的还原稳定性，在锂金属电池中能够实现良好的库伦效率。此外，通过高浓盐、局部高浓盐、引入添加剂、溶剂分子结构设计的策略，可以进一步改善醚基电解液氧化电位低的缺陷，实现和高压正极的匹配。因此，醚基电解液在未来高比能锂金属电池的开发中是极具潜力的电解液体系。

要点四：前瞻

目前醚基电解液与石墨发生共嵌入的原因仍然存在争议，主导共嵌入发生的因素尚未有定论，这在未来需要进一步深入研究。有些电解液设计中过于追求高压或界面稳定性而会牺牲其他优势，例如离子电导率、成本等。因此，将电极材料设计、人工SEI等策略与电解液设计结合协同改善锂离子电池性能也是一种有效方式。在实际应用中可能会出现多种负极混合共用的情况，这就要求未来电解液在设计需要同时兼容多个负极。理论模拟计算以及机器学习可以得到电极液溶剂化结构等实用信息，对电解液的开发具有重要指导作用。电解液实验室的条件下的性能与实际应用可能会存在差异，例如醚基电解液在软包电池中的产气问题。因此，想要实现高性能醚基电解液的规模化应用，需要解决的问题还有很多。

Advanced Ether-Based Electrolytes for Lithium-ion Batteries

刘振辉，南京航空航天大学材料科学与技术学院助理教授，硕士生导师。主要从事电化学储能材料与技术研究。目前已发表SCI论文40余篇，其中以第一作者及通讯作者在Chem. Soc. Rev.，Angew. Chem. Int. Ed., Matter, Nano Lett., ACS Mater. Lett., Energy Storage Mater., 等国际知名杂志发表SCI论文20余篇（包括ESI热点论文2篇，ESI高被引论文1篇），累计引用超2400次，H因子20，获授权国家发明专利1项。主持国家自然科学基金青年基金、江苏自然科学基金青年基金、博士后创新计划、博士后特别资助、博士后面上等多个项目。

从1990起一直从事新型储能材料和技术的研究，包括锂（钠）离子电池、电化学电容器和新型电池体系等。共发表SCI论文418篇，包括Nat. Chem.，Sci. Adv., Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., Energy Environ. Sci., Adv. Mater., J. Electrochem. Soc. 等，他引4万余次，H-index 99，2017-2023年Clarivate Analytics高引作者；授权专利40项。2003年回国至今主持国家重点研发计划（首席科学家）、国防科技173计划（技术首席），科技部“973计划”，“863计划”项目、国家自然科学基金重点、面上项目、上海市科委和企业合作项目等40余项。

转让专利多项，多项研发的材料和技术已产业化或产业化示范应用。转让专利多项，多项研发的材料和技术已产业化或产业化示范应用，包括锰酸锂、磷酸锰铁锂、碳包覆钛酸锂和水系锂离子电池、钠离子电池等。国际电化学会（ISE）Fellow，Editor （编辑）of J. Power Sources，《物理化学学学报》副主编。2015-2022年中国电化学会主任。2009年获国家自然科学基金委杰出青年基金，上海市优秀学科带头人。2015年获中国电化学会“电化学贡献奖”。2016年教育部自然科学一等奖（排名第一）。2017年上海市化学化工学会庄长恭化学化工科技进步奖。2108 Electrochemical Society (ECS) Battery Division Technology Award。2019 The International Battery Materials Association (IBA) Technology Award。2019年上海市第十六届科技精英（提名奖）。

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