香港中文大学卢怡君教授ACS Nano综述：醚基高压金属锂电池的商业化之路

第一作者：向经纬

通讯作者：卢怡君*

单位：香港中文大学

基于醚类电解质的高压锂金属电池（HV-LMBs）由于与锂金属负极的高度兼容性而吸引了越来越多的关注。然而，基于醚类电解液的HV-LMBs的商业化仍然面临许多挑战，如循环寿命短、有限的安全性和复杂的失效机制。本综述讨论了基于醚基电解液的HV-LMBs取得的研究进展，并提出了基于三个重要参数：电化学性能、安全性和工业可扩展性的电解质的系统设计原则。最后，文章总结了基于醚类电解液的HV-LMBs未来商业应用所面临的挑战，并提出了该电池体系未来发展的技术路线图。

近日，来自香港中文大学的卢怡君教授在国际知名期刊ACS Nano上发表了题为“Ether-Based High-Voltage Lithium Metal Batteries: The Road to Commercialization”的综述文章。该综述报道了目前基于醚基电解液的HV-LMBs的研究进展，并分析了该电池体系要实现商业化应用依然面临的挑战。最后，该文章提出了该电池体系未来的发展的技术路线图。

由于与锂金属负极的优异兼容性、高电导率、低粘度和低成本，醚基电解液被认为非常适合用于LMBs。然而在标准锂盐浓度（约1 M）条件下，醚基电解液的氧化稳定性非常差（<4.0 V vs Li/Li⁺），无法满足HV-LMBs的需求。因此，提高电解液自身的氧化稳定性并在阴极上构建稳定的阴极-电解质界面（CEI）对于提升醚基HV-LMBs的稳定性至关重要。目前醚基电解液的改进策略可以分为三类，第一类是调节锂盐的浓度和类型，以减少游离醚溶剂的比例，从而构建主要由锂盐分解形成的稳定CEI。第二类是通过改变溶剂分子的结构，如引入氟化基团，来提高电解质的氧化稳定性。第三类是通过引入功能性添加剂来抑制界面处醚溶剂的分解。

而除了氧化稳定性之外，离子导电性、成本、易燃性和粘度等也是影响电解液和电池性能的关键因素。如高盐浓度电解液（HCEs）和局部高盐浓度电解液（LHCEs），已被证明可以显著提高电解质的氧化稳定性。然而，这些电解质仍然面临离子导电性低和成本高的挑战。溶剂工程因其在标准锂盐浓度下提高电解质氧化稳定性的能力而受到越来越多的关注。然而，这些优化的溶剂分子通常与锂离子的配位能力较弱，会导致电解质的离子导电性降低。因而在未来针对基于醚类电解质的HV-LMBs的基础研究中，应该基于氧化稳定性、离子导电性、成本、易燃性和粘度这五个参数对设计的电解液进行全面评估，以实现性能的全面提升。

要实现醚基HV-LMBs的商业化应用，还需要对该电池体系的可扩展性、电池安全性和成本等因素进行考量。目前商业化锂离子电池的碳酸酯基电解液的价格不超过20美元每公斤，因而目前设计的高浓度锂盐电解质和高度氟化稀释剂虽然对于了解高压锂金属电池的醚基电解质的失效机制具有重要意义，但也极大增加了电解质的成本，并不适合规模化应用。除了电解液的成本之外，设计的电解液的制备过程是否适合大规模生产也对其商业化起着至关重要的作用。例如研究人员采用溶剂工程设计了具有特定分子结构的各种醚溶剂，这些设计的醚溶剂在高压锂金属电池中表现出良好的电化学性能。

然而，由于这些设计溶剂的复杂制备过程和低产率，大规模制备的目标尚未实现。同时，电池的整体安全性也是决定该电池体系是否能商业化应用的关键因素。因此，未来评估醚基高压锂金属电池是否适合商业化应用需要从以下三个方面进行评估：(1)电化学性能：包括电解质的离子导电性和氧化稳定性、循环寿命、倍率性能以及在实际应用条件下电池的能量密度等参数。(2)安全性：包括电解液的易燃性以及电池在各种滥用条件下的安全性。(3)工业可扩展性：涵盖电池原材料成本、电池生产工艺的可扩展性、环境影响评估以及该电池系统的可持续发展。

基于醚基电解液HV-LMBs的研究目前仍然处于初期阶段。尽管锂盐优化、溶剂工程和功能性添加剂等策略能有效地提升高压锂金属电池的性能，但该电池体系仍然面临着循环寿命短、安全性差和成本高的问题。未来，需要同时推进该电池体系的机理研究和应用研究，例如研究CEI和SEI的失效机制以及醚基HV-LMBs中电池热失控的机制，建立评估醚基HV-LMBs性能的标准化协议，改进电池系统的安全评估标准。这些努力将促进醚基HV-LMBs的电化学性能和安全性的协同提升，加快该电池体系的商业化。

Ether-Based High-Voltage Lithium Metal Batteries: The Road to Commercialization

卢怡君教授简介：2012年博士毕业于麻省理工学院，现任香港中文大学机械工程系教授，曾获得香港研资局研究学者衔、英国皇家化学学会会士、香港青年科学院的创会成员、国家自然科学基金委优秀青年科学基金（港澳）等多项荣誉。以通讯作者身份在Nature Energy, Nature Material，Nature Sustainability等诸多世界顶级期刊上发表多篇研究论文。现任Journal of Materials Chemistry A 和 Materials Advances 期刊副主编。