武汉大学赵焱教授，Small观点：为锂负极提供增强性保护的氟化醚稀释双锂盐基锂硫电池电解质

第一作者：孔熙瑞

通讯作者：赵焱

单位：武汉大学

锂硫电池被认为是很有前途的下一代储能系统，但是“穿梭效应”和锂金属负极较低的循环利用率一直阻碍着锂硫电池的商业化进程。其中硫代聚丙烯腈正极材料可以实现活性硫的“固相-固相”转化，从而避免了由多硫化锂溶解而造成的自放电现象。

商业化的碳酸酯基电解质虽然可以很好地兼容此类正极材料，但是与锂金属负极会发生较多的副反应。相比于碳酸酯基电解质，传统的标准浓度（1 M）醚基电解质（不含有LiNO₃添加剂）则对金属锂表现出了更好的相容性，但同时会造成多硫化锂的溶解。

之前的研究表明，高浓度（＞3 M）醚基电解质可以很好地兼容锂硫电池正负极，在抑制多硫化锂溶解的同时提高了与锂负极的沉积剥离效率。由于高浓度电解质存在着高成本、高粘度、低离子导电率、低润湿性等问题，开发较低盐浓度的醚基电解质已经成为当前锂硫电池研究热点。本论文展示了近期锂硫电池电解液设计相关的一些工作，特别是在锂金属负极-硫代聚丙烯腈正极电池体系中。

本研究以先前的中等盐浓度（≈2.5 M）双盐/四氢呋喃-正丙醚电解质的研究工作为基础（A novel mixed ether-based electrolyte for lithium-sulfur batteries with Li anode protection by dual salts. Sustainable Energy & Fuels, DOI: 10.1039/d2se00647b.），探究了氟醚作为稀释剂引入中等盐浓度电解质的影响。本文为未来的研究提供了方向，有助于加快锂硫电池电解质领域的研究及实际应用。

基于此，武汉大学的赵焱教授，在国际知名期刊Small上发表题为“Hydrofloroether Diluted Dual-Salts-Based Electrolytes for Lithium-Sulfur Batteries with Enhanced Lithium Anode Protection”的观点文章。该观点文章分析了通过控制双盐醚基电解质中氟化醚的含量来研究电解质各项性能的关系以及对锂金属负极钝化作用的影响。

氟化醚作为稀释剂引入双盐醚基电解质，氟化醚的引入可以有效钝化锂金属负极并在表明形成一层致密的富氟化锂的钝化层，从而提高了锂的沉积形貌并抑制了金属锂与电解质之间的副反应。

通常情况下，高浓度电解质在加入氟化醚等稀释剂后的粘度会明显降低，从而可以在一定程度上提高离子电导率。但是对于浓度不是很高的电解质而言，不参与锂离子溶剂化的惰性稀释剂的引入造成了电解质电导率持续降低。产生此现象的原因可能是中等盐浓度的电解质的粘度远小于高浓度电解质，加入稀释剂对降低粘度的效果有限。此外，随着稀释剂在电解质比例的提升，逐渐降低的锂盐浓度（从2.5 M 稀释到1.0 M）产生了明显的下降，从而导致电解质的电导率降低的效果。

要点二：将氟化醚引入电解质后，锂金属负极的材料循环利用率获得了明显提升

与本研究团队先前的研究对比，氟化醚稀释的双盐醚基电解质的锂沉积剥离效率由原本的非稀释电解质的99.3%提升到了99.6%。通过对锂表面进行刻蚀XPS分析发现，氟化醚可以在锂表面分解形成富氟化锂的钝化层，从而有效控制了锂的沉积形貌并有效抑制了锂金属和电解质的分解。但是在本研究的范围内，氟化醚的比例（电解质锂盐的浓度）对锂金属的沉积剥离效率并没有产生明显的影响。

要点三：适量稀释的电解质可以提高锂硫电池的倍率性能

与1 M LiTFSI/DME-DOL传统电解质相比，中等浓度电解质（MCE）和稀释的中等浓度电解质（DMCE）对多硫化锂的溶解有着很强的抑制作用。对应的锂硫电池（N/P≈2.85）也表现出了很好的循环容量稳定性（循环500圈后容量保持率不低于92%）。但是，少量加入氟化醚的电解质（DMCE-2.0M）表现出了最优异的倍率性能，可能的原因是在保证较高离子浓度的前提下明显提高的润湿性以及降低的粘度改善了离子的扩散能力。

要点四：前瞻

含氟溶剂/高氟化溶剂往往成本较高并且在电池回收处理过程中会产生有害物质，所以探索具有化学惰性且环保低成本的非氟溶剂与含氟溶剂作为混合稀释剂应用与锂硫电池电解质应该是很有前途的发展方向。

Hydrofloroether Diluted Dual-Salts-Based Electrolytes for Lithium-Sulfur Batteries with Enhanced Lithium Anode Protection， 

赵焱，国家高层次人才，武汉大学工业科学研究院二级教授，博导，长期从事理论计算化学和计算材料学等邻域的研究工作，在高精确度理论化学数据库的发展、新一代密度泛函的开发和应用、纳米材料的模拟、计算催化、计算化学软件开发、3D打印等领域做出了开拓性贡献。

在其研究领域的国际权威刊物上发表高水平研究论文200余篇, SCI引用超过53000次, M06论文单篇引用超过18000，H因子60，全世界许多研究小组应用赵教授发展的密度泛函方法和软件进行理论计算模拟研究，有8位诺贝尔奖获得者运用过M06系列泛函. 2014-2017连续4年都被美国汤森路透集团和科睿唯安公司列入全球高被引科学家名单。

赵焱教授是美国惠普公司MJF-3D打印技术的主创人员之一，获得美国/国际专利25项, 担任《Energy & Environmental Materials》（IF=13.443）副主编, 《Interdisciplinary Materials》学术主编，《Nanomaterials》（IF=5.076） 的Editorial Board Member。

投稿请联系contact@scimaterials.cn