胡恩源教授， Angewandte通讯：基于电子离域化的单溶剂砜类锂金属电池电解液

第一作者：Muhammad Mominur Rahman

通讯作者：胡恩源

单位：布鲁克海文国家实验室化学系

基于锂金属负极的锂金属电池具有很高的能量密度。特别是当锂金属负极和NMC正极匹配所形成的的锂金属全电池具有很大的能量密度优势。在锂金属电池的各种组成部分中，电解液是关键。醚类电解液对锂金属相对稳定，之前文献中的大量研究工作都围绕如何提高醚类电解液的正极稳定性。相比之下，有一些电解液对正极相对稳定但对锂金属负极的稳定性较差。这其中砜类电解液因为其良好的高压稳定性一直受到关注。但传统的砜类电解液对锂金属负极非常不稳定，同时粘度大，对隔膜的浸润性交差，不能用于实际的锂金属电池。该工作展示可以通过电子离域化的方法来解决砜类电解液的上述问题。

近日，来自布鲁克海文国家实验室的胡恩源教授在国际知名期刊Angewandte Chemie上发表题为“Electron Delocalization Enables Sulfone-based Single-solvent Electrolyte for Lithium Metal Batteries”的通讯研究文章。该工作通过电子离域化的方法来解决砜类电解液高粘度、浸润性差、对锂金属不稳定的问题。基于单一锂盐和单一氟化磺酸酯溶剂的电解液可用于高正极载量和低N/P比的锂金属电池稳定循环。

电解液的粘度和溶剂的极性有关。如果溶剂极性大，分子间作用力会相对较大，从而增加整体电解液的粘度。该工作从降低砜类分子极性从而减少分子间作用力的角度出发，提出在砜官能团基础上增加氧原子从而形成磺酸酯基团来使氧周围的电子离域化，从而降低分子极性而减小电解液粘度。另外再通过在合适的位点引入吸电子基团三氟甲基，使得溶剂分子的电子更加离域化，进一步降低溶剂粘度。

砜类电解液对锂金属的高活性可能和氧原子上电子密度大，氧的路易斯碱性强有关。要点一所提的电子离域化方法也能同时减少氧原子上面的电子，从而降低溶剂的路易斯碱性，减弱溶剂对锂离子的反应活性。由三氟乙基甲磺酸酯作为单一溶剂，双氟磺酰亚胺锂作为单一盐的电解液被实验证明由较好的隔膜浸润性和锂金属稳定性。浓度为2M的该电解液可以稳定循环高载量（21mg/cm²的NMC811）和低N/P比（50微米锂金属，N/P=2）的锂金属电池。在C/3的放电倍率下，160圈后电池还保持有初始时90%的容量。

通过基于同步辐射的一些表征证明阴离子参与了界面的形成。在NMC811正极表面，可能形成了一些含氮的异元环分子。同时也观察到一些硝酸盐的形成。在锂金属表面，既有诸如LiH，LiOH等晶态物质，也有一些从阴离子分解衍射的非晶态物质。

Electron Delocalization Enables Sulfone-based Single-solvent Electrolyte for Lithium Metal Batteries

胡恩源 教授简介：2005年毕业于东南大学环境工程系。2015年毕业于纽约州立大学石溪分校机械工程系。2018年入职布鲁克海文国家实验室，现为化学系正研究员。长期从事各种电池体系材料的研发和表征。以通讯作者身份在Nature Energy, Nature Nanotechnology, Nature Communications., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed. 等学术刊物上发表多篇研究论文。至今已发表论文100余篇，被引用12,000 余次，H因子55。

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