吴宇平、程新兵教授， ACS Energy Letters观点：电解质中的主-客体相互作用构建电化学稳定和热安全的锂金属电池

第一作者：郭嘉欣

通讯作者：程新兵*

单位：东南大学

锂金属电池因其高比容量（3860 mAh·g⁻¹）和低负极电位（−3.040 V，相对于标准氢电极电位）被认为是最有前途的下一代电池。然而，金属锂电池仍然面临着较大的安全挑战，主要与高度枝晶化的锂金属和电解液之间的剧烈放热反应有关。因此，开发有效的电解质策略来缓解锂金属电池的安全问题至关重要。

近日，来自东南大学吴宇平、程新兵教授在国际知名期刊ACS Energy Letters上发表题为“Host−Guest Interactions for Electrochemically Stable and Thermally Safe Lithium Metal Batteries”的观点文章。该观点文章提出将主-客体电解质作为锂金属电池的内置安全开关，并证明主-客体相互作用决定了锂金属电池的热稳定性和长循环稳定性。具有主-客相互作用的电解质可以平衡固态电解质界面接触差、离子电导率低，液态电解质安全性差的问题。这种智能策略具有普适性，可为科学和工程领域的先进电池设计带来新的启示。

在室温下，设计了具有宽电化学窗口和高离子迁移数的高浓度电解质主体与N,N′-(4,4′-亚甲基二苯基)双马来酰亚胺（BMI）客体相结合的高性能主-客体液态电解质。在主-客体液体电解质中，锂离子与阴离子之间的相互作用更强，形成了接触离子对（阴离子与单个锂离子配位）和离子对聚集体（阴离子与两个或多个锂离子配位）的溶剂化结构。在高温条件下，BMI 单体通过原位自由基聚合迅速构建热稳定的聚合物基体。它能创造出足够的自由空间来承载高浓度电解质，形成具有 Opoly(BMI)...Li⁺相互作用的主-客固体电解质。

BMI 与锂盐阴离子的协同作用，通过增加LiF和Li₃N的含量来调节电极界面的有机/无机成分比例，从而生成致密均匀且富含无机物的SEI。组装的Li||LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂ 纽扣电池在25°C下循环210次后，容量保持率为86%（常规电解质为 62%），平均库仑效率为99.8%。此外，主-客体液态电解质的作用在330 Wh kg^-1 的软包电池中也得到了证实。

在120°C的热滥用温度下，主-客体电解质具有智能的热响应特性，从液态转变为固态，形成主-客体固态电解质。因此，热失控温度从150°C （常规电解质）提高到194°C （主-客体电解质），成功地延缓了热安全风险，这表明主-客体电解质在锂金属电池的安全性能方面发挥了有效作用。更重要的是，使用主-客体电解质的电池在经历高温滥用后，可恢复94%的容量（常规电解液为0%）。

Host−Guest Interactions for Electrochemically Stable and Thermally Safe Lithium Metal Batteries

程新兵，东南大学教授/博导，能源与环境学院副院长。2012年本科毕业于天津大学化工学院，2017年博士毕业于清华化工系，2017-2020年清华化工系博士后，2020-2021清华化工系助理研究员，2021年12月调动到东南大学。长期从事电化学能源工程，尤其涉及金属锂电池、固态电池、高安全储能电池的相关工作。2013年以来，共发表SCI论文120余篇，被引32000余次，H因子78。以（共同）第一/通讯作者在Chem. Rev.、Nat. Commun.、Sci. Adv.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.等期刊发表论文50余篇（当前有20余篇入选ESI高被引论文）。授权中国专利11项，主持国自然重大培育基金、江苏省杰出青年基金等。获得教育部青年长江学者、东南大学五四青年奖章、科睿唯安高被引学者、爱思唯尔中国高被引学者等荣誉，担任中国颗粒学会能源颗粒材料专委会秘书长等职务。

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郭嘉欣， 2022年硕士毕业于东华大学化学化工与生物工程学院（导师：刘为萍研究员）。目前在东南大学能源与环境学院攻读博士研究生，师从程新兵教授，主要从事锂金属电池的安全性研究。2023年以来，以第一作者在ACS Energy Letters、Journal of Energy Chemistry、Chinese Chemical Letters及Frontiers of Chemical Science and Engineering共发表论文4篇 (1篇入选ESI高被引论文)。