21世紀(jì)以來，鋰離子電池極大地改善了人類的生產(chǎn)生活。但現(xiàn)有鋰離子電池較低的能量密度和安全性能阻礙了鋰電池的進(jìn)一步發(fā)展。使用金屬鋰作為負(fù)極的金屬鋰電池可以大幅提升電池的理論能量密度，但同時(shí)會(huì)劇烈降低電池的安全性能，因?yàn)椴豢杀苊獾慕饘黉囍?huì)與電解液在高溫下發(fā)生劇烈的放熱反應(yīng)。為了更好地推進(jìn)金屬鋰電池的商業(yè)化使用，必須優(yōu)先提升其安全性能。盡管金屬鋰電池的安全問題十分嚴(yán)峻，仍然缺少足夠有效的方法在不影響其電化學(xué)性能的前提下提高其安全性。在前期工作基礎(chǔ)上，清華大學(xué)張強(qiáng)教授、東南大學(xué)程新兵教授、北京理工大學(xué)黃佳琦教授通過電解液溶劑的分子設(shè)計(jì)，在金屬鋰表面上高效地引入了富聚合物界面層，其較高的氟含量極大地提高了電解液與金屬鋰的熱穩(wěn)定性，成功地將金屬鋰軟包電池?zé)崾Э販囟忍嵘搅?38℃（圖1）。圖1. MFA電解液對(duì)金屬鋰電池安全性的改善示意圖。設(shè)計(jì)的二氟乙酸甲酯（MFA）可以在金屬鋰負(fù)極表面發(fā)生Claison酯縮合反應(yīng)，其特殊的–CHF2基團(tuán)帶來的親核位點(diǎn)使其可以極快地形成富聚合物層，并且聚合物的高氟含量可以為界面層提供較好的熱穩(wěn)定性（圖2）。在使用MFA作為電解液溶劑后，所構(gòu)筑的高熱穩(wěn)定性聚合物界面層可以極大地抑制金屬鋰與電解液后續(xù)的副反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)在390℃之前金屬鋰負(fù)極與電解液不會(huì)發(fā)生明顯的放熱。并在大容量（1 Ah）軟包電池中進(jìn)行了實(shí)用效果驗(yàn)證，高達(dá)338℃的“點(diǎn)燃”溫度為電池的安全運(yùn)行提供了極大的保障（圖3）。圖3. MFA電解液對(duì)金屬鋰電池安全性的改善。此外，原位形成的富聚合物的界面層因其高氟含量和柔韌性也賦予了金屬鋰軟包電池優(yōu)異的電化學(xué)性能，內(nèi)剛外柔的界面層有效地抑制了鋰枝晶的生成，將其循環(huán)壽命提升了四倍以上。圖4. MFA電解液在金屬鋰電池中的電化學(xué)性能。總之，優(yōu)異的電解質(zhì)分子設(shè)計(jì)成功地在金屬鋰電池中引入了新的表面聚合機(jī)理，其親核位點(diǎn)的設(shè)計(jì)促進(jìn)了電解質(zhì)的聚合，而高氟取代提高了界面的熱穩(wěn)定性。更熱穩(wěn)定的電解質(zhì)—金屬鋰界面顯著地提高了電池?zé)岚踩呐R界溫度，為安全操作和及時(shí)預(yù)警提供了更大的空間。此外，極高的電池“燃燒”溫度(338.0℃)也證明了有效的界面控制可以成功降低鋰金屬負(fù)極的安全風(fēng)險(xiǎn)，通過界面聚合來提升安全性的設(shè)計(jì)思路也可以有效地應(yīng)用于其他儲(chǔ)能系統(tǒng)中。論文詳情：Shi-Jie Yang, Nan Yao, Feng-Ni Jiang, Jin Xie, Shu-Yu Sun, Xiang Chen, Hong Yuan, Xin-Bing Cheng,* Jia-Qi Huang,* Qiang Zhang*. Thermally Stable Polymer-Rich Solid Electrolyte Interphase for Safe Lithium Metal Pouch Cells, Angew Chem Int Ed, 2022, e202214545.鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202214545黃佳琦，北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院教授，博士生導(dǎo)師，九三學(xué)社社員。主要開展能源界面化學(xué)研究。發(fā)表SCI論文200余篇，其中70余篇為ESI高被引論文，h因子97。擔(dān)任中國(guó)顆粒學(xué)會(huì)理事，中國(guó)化學(xué)會(huì)能源化學(xué)專委會(huì)委員等，任J. Energy Chem.、Chin. Chem. Lett.、InfoMat編委，Green Energy Environ.、Energy Mater. Adv.青年編委。曾獲評(píng)2016年中國(guó)化工學(xué)會(huì)侯德榜化工科技青年獎(jiǎng)，2018年中國(guó)顆粒學(xué)會(huì)青年顆粒學(xué)獎(jiǎng)，入選2018年國(guó)家級(jí)人才計(jì)劃，2020年北京市杰出青年科學(xué)基金等；2022年中國(guó)顆粒學(xué)會(huì)自然科學(xué)一等獎(jiǎng)，第十七屆中國(guó)青年科技獎(jiǎng)特別獎(jiǎng)，2018–2022年連續(xù)入選科睿唯安全球高被引科學(xué)家。參考資料：https://www.bit.edu.cn/xww/xzw/xsjl1/306b07d73d0d4604a5016a8bc984d50d.htm
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