广东工业大学刘全兵教授课题组Nano Letters：多级联动内鞘层排斥外鞘层电解液策略应对超快充锂金属电池

第一作者：邱超

通讯作者：石凯祥*，刘全兵*

单位：广东工业大学，化学与精细化工广东省实验室揭阳分中心（榕江实验室）

激发锂金属电池相界面快速离子迁移的潜力是促进快速充电进程并推广锂金属电池应用的重要途径。然而，快速充电环境下大量锂离子的非均质迁移（SEI迁移滞后于液相传输）导致电极/电解质界面处形成锂枝晶和离子浓差极化。由浓差极化引起锂金属负极表面的锂离子耗竭（即，sand’s time）并触发强负电场。一方面，提高电解液总体的介电常数可以削弱电极间的电场强度。另一方面，构建快速锂离子迁移且短程的SEI离不开富阴离子溶剂化鞘层，实现富阴离子溶剂化鞘层则依赖稀释剂或削弱极性的弱溶剂化溶剂，却伴随着电解液介电常数的降低。当前仍需要一种策略实现高介电常数和富阴离子溶剂化鞘层。

近日，来自广东工业大学的石凯祥副教授与刘全兵教授，在国际知名期刊Nano Letters上发表题为“Multistage Linkage Internal Exclusion External Electrolyte Tactic Unlocks Extreme Fast Charge Lithium Metal Batteries”的文章。该文章分析了当前限制锂金属电池超快充几个决速步骤，包括缓慢SEI相传输和浓差极化导致的强负电场，受到溶剂化鞘层微观环境的启发，提出多组分挤压联动策略形成高介电常数外溶剂化鞘层和富阴离子内溶剂化层应对上述问题。

分子动力学模拟和NMR证明溶剂化鞘层级联关系遵循NO₃⁻ → G4→ EC→ DMC，DN值是导致本次挤压联动的主要原因，空间位阻和螯合作用作为次要因素。首先，高介电常数的EC极易排斥DMC占据内溶剂化鞘层（电解液E 1）；具有更多锂离子配位点的TEGDME排斥EC占据内溶剂化鞘层（电解液E 2）；高DN值且最小空间位阻的NO₃⁻排斥TEGDME占据内溶剂化鞘层（电解液E 3~E 4）。最终，形成富阴离子内溶剂化鞘层和高介电常数外溶剂化鞘层。

得失电子前后能级差（ΔE= HOMO′ − LUMO）反映不同溶剂下得失电子轨道的软/硬度。交换电流密度和反应活化能体现不同组分占据内溶剂化鞘层对SEI迁移和电荷转移的影响。TOF-SIMS证实E 4电解液形成了更薄的SEI（更薄的有机组分）。

基于快速的界面离子迁移/转化动力学，在阶梯式ΔSOC、0~80%ΔSOC、快充快放和快充慢放性能测试中，均发挥了出色的放电比容量，并在软包电池中展现出极高的充电速率和充电电流密度。

短程且快速的SEI离子迁移比快速的液相传输更能缓解离子浓差极化。

石凯祥简介：广东工业大学青百特聘副教授，主要研究方向是锂/锂离子二次电池。以第一/通讯作者在AIChE J., Chem. Eng. Sci., Ind. Eng. Chem. Res., Adv. Funct. Mater., Nano Lett.等杂志发表学术论文30余篇，授权发明专利6项，承担国家自然科学青年基金等项目。