王春生教授、Ahn Ngo教授、徐吉健教授 Advanced Materials:阴离子溶剂化结构——低温电池电解液设计的新启示

第一作者：徐吉健

通讯作者：徐吉健*、Ahn Ngo*、王春生*

单位：马里兰大学、伊利诺伊大学芝加哥分校、香港城市大学、阿贡国家实验室、罗格斯大学

全球清洁能源的迅猛发展推动着电池技术在更为严苛条件下的广泛应用，尤其在电动汽车和大规模储能技术中。在这些应用中，锂金属电池在极端低温环境下的性能表现变得尤为关键。目前使用的碳酸酯基电解液在零下20摄氏度以下的低温条件下容易凝固，从而导致锂离子传输速度变慢。因此，设计适应超低温条件下可逆锂沉积/剥离的电解液成为实现电池高效运行的关键。过去的电解液设计主要侧重于调节锂离子（Li⁺）的溶剂化结构，因为这不仅影响锂离子在电解液中的传输，还会改变固体-电解液中间相（SEI）的组成。近期，阴离子参与的溶剂化结构引起了广泛关注，因为这种结构同样会影响SEI的形成和Li⁺的脱溶剂化能垒。然而，即使在最简单的单盐、单溶剂电解液体系中，阴离子与溶剂的相互作用仍然未被完全理解。在未来的研究中，深入探讨阴离子溶剂化结构的机制将为优化电解液设计提供新的方向。

近日，来自香港城市大学的徐吉健教授与阿贡国家实验室Ahn Ngo教授、马里兰大学化学王春生教授合作，在国际知名期刊Advanced Materials发表题为“Revealing the Anion-Solvent Interaction for Ultralow Temperature Lithium Metal Batteries”的研究论文。该文章揭示阴离子与溶剂之间的相互作用及其对低温性能的影响，实现了锂金属负极在零下60摄氏度的可逆充放电。这是该团队继2023年2月9日在《自然》（Nature）期刊上发表论文（DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05627-8）后在低温电解液领域的又一进展。

为了更深入地理解阴离子与溶剂之间的相互作用及其对低温性能的影响，本研究系统地研究了一组电解液，包括各种锂盐（LiFTFSI、LiFSI、LiTFSI）和部分氟化醚溶剂（BFPE）。BFPE与Li⁺的相互作用较弱，使阴离子与溶剂的相互作用更为明显。通过实验表征和理论计算，发现在1.5M LiFTFSI-BFPE电解液中，阴离子与溶剂的相互作用强化了离子电导率，并改善了锂金属在超低温工作条件下的电化学性能。阴离子与溶剂的相互作用具有几个重要的优势。首先，阴离子-溶剂相互作用有助于促进锂盐的解离，从而提高离子电导率。其次，较强的阴离子-溶剂相互作用可以限制阴离子的迁移，提高锂离子的转移数（t+）。最后，阴离子与溶剂的相互作用有助于抑制溶剂的还原，促进富无机SEI的形成，从而提高锂沉积/剥离的库仑效率（CE）。本文通过NMR, ATR-FTIR, 原位液体 SIMS证实了阴离子和溶剂的相互作用。理论计算表明阴离子与溶剂相互作用是通过H 和 F 之间形成类似氢键的相互作用且和温度高度相关。

具体而言，1.5M LiFTFSI-BFPE电解液使锂沉积/剥离CE在零下30摄氏度的温度下高达98.7% ，并且使2.0 mAh/cm² NMC811||Li（2倍过量）全电池在零下40摄氏度（甚至零下60摄氏度）的超低温环境中成功充放电。在100次循环后，该电池提供了高达115 mAh/g的可逆比容量，而且无明显的容量衰减。

这篇论文的第一作者/共同通讯作者、香港城市大学化学系的独立PI徐吉健（Jijian Xu）教授表示：“阴离子溶剂化作用相比阳离子溶剂化作用较弱，但由于阴离子的价电子密度比阳离子（Li⁺）更分散，因此阴离子的最外层轨道能与周围溶剂产生更强烈的相互作用。关于阴离子溶剂化结构如何影响电解液的性质、改变界面反应路径以及影响电化学性能依然需要更多的研究。

Jijian Xu, Volodymyr Koverga, An Phan, Ai min Li, Nan Zhang, Minsung Baek, Chamithri Jayawardana, Brett L. Lucht, Anh T. Ngo, Chunsheng Wang. (2023). “Revealing the Anion-Solvent Interaction for Ultralow Temperature Lithium Metal Batteries” Adv. Mater. DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202306462

徐吉健 教授简介：香港城市大学化学系助理教授，博士生导师。于2014年和2019年从浙江大学获得学士和博士学位。2019-2023年在美国马里兰大学王春生老师课题组从事博士后研究并晋升研究科学家。主要研究领域为能源化学，致力于电解液和电极材料的设计研究。已发表SCI论文70余篇，其中以第一或通讯作者在Nature, Nature Energy, Joule, Advanced Materials (5) 等国际著名学术期刊发表论文30余篇。授权中国发明专利7项，PCT专利4项。曾担任美国化学学会秋季年会分会场主席、受邀担任Energy Storage Materials客座编辑，以及Nano-Micro Letters, eScience, Materials Futures等期刊青年编委。

王春生 教授简介：目前为美国马里兰大学 R.F & F. R. Wright杰出讲座教授，电化学学会会士。马里兰大学-美国陆军实验室极端电池联合研究中心（CREB）的创始人，同时兼任马里兰大学一方的中心主任。WISE batteries公司的创始人,以及 WH Power公司的联合创始人。1995年博士毕业于浙江大学（导师为王启东先生），在Science, Nature, Nature Energy, Nature Materials, Nature Nanotechnology, Nature Chemistry等顶级期刊发表SCI论文400余篇，文章他引60000余次，H-index为138。自2018年以来为科睿唯安（Clarivate）全球高被引学者。2015年和2021年两次获得马里兰大学年度最佳发明奖。2021年获得ECS Battery Division Research Award。

课题组目前主要招聘能源化学的博士后和博士生，研究方向可以包括电化学转换反应和动力学、电解液设计及界面层调控，极端条件下的失效分析，原位表征和理论计算等。

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博士生：当前最早入学时间是2024年9月。英语要求：托福79或雅思6.5。具体报考条件和要求见文件：http://www.cityu.edu.hk/sgs/download/rpg/prospective/handbook.pdf条件优异者可申请香港政府博士奖学金 hong kong phd fellowship scheme，入选者可获得每年高 hk$331,200的奖学金，享受学费免除、会议差旅费补贴等福利。具体申请条件请参阅：https://cerg1.ugc.edu.hk/hkpfs/index.html

博士后：近3年内已取得或即将取得博士学位；具有良好的学术背景，良好的英文阅读、交流及写作能力，较强的独立科研的能力，良好的团队协作与沟通协调能力，以第一作者发表过高水平文章的优先考虑；

感兴趣申请者请发个人简历和推荐信至邮箱jijianxu@cityu.edu.hk  

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