圖片來(lái)源：曹余良教授課題組提出穩(wěn)定化鋰離子電池電解液新思路
11月11日，《美國(guó)化學(xué)會(huì)能源通訊》（ACS Energy Letters）在線發(fā)表了化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院曹余良教授課題組最新研究成果。論文題為《根據(jù)配位數(shù)規(guī)則設(shè)計(jì)鋰二次電池先進(jìn)電解液》（“Designing Advanced Electrolytes for Lithium Secondary Batteries based on Coordination-number Rule”）。化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院博士研究生劉興偉為第一作者，曹余良教授和鐘發(fā)平博士為共同通訊作者。 該研究創(chuàng)新性地提出了配位數(shù)規(guī)則，用于指導(dǎo)高穩(wěn)定性的多功能化鋰離子電池電解液的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，并用多個(gè)電解液體系結(jié)合電化學(xué)測(cè)試、紅外光譜和理論計(jì)算等實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)了配位數(shù)規(guī)則的普適性。該研究從溶劑化結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，原理上解釋了如何根據(jù)配位數(shù)規(guī)則調(diào)控電解液的穩(wěn)定性，為先進(jìn)鋰離子電池電解液的開(kāi)發(fā)提供理論指導(dǎo)。 在過(guò)去三十年間，鋰離子電池迅速占領(lǐng)了便攜式電子設(shè)備市場(chǎng)，并開(kāi)始向電動(dòng)汽車(chē)及規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域邁進(jìn)。隨著對(duì)鋰離子電池需求越來(lái)越旺盛，鋰離子電池的能量密度以及多功能化也得到了更嚴(yán)苛的要求。然而，目前鋰離子電池中商用的碳酸乙烯酯（EC）基電解液已成為鋰離子電池發(fā)展的瓶頸，這主要是因?yàn)镋C不耐高壓、熔點(diǎn)高且易燃，限制了鋰離子電池向更高能量密度、低溫工作和高安全性方向的發(fā)展。盡管許多有機(jī)溶劑具有電解液溶劑的優(yōu)良性質(zhì)，但它們均無(wú)法與商品化石墨負(fù)極兼容。目前，有大量的工作報(bào)道了使用高濃度鋰鹽電解液或是稀釋的高濃度鋰鹽電解液來(lái)提高這些溶劑的穩(wěn)定性，但這樣的方式會(huì)導(dǎo)致很高的鋰鹽濃度或是低的電解液電導(dǎo)率，依然難以在實(shí)際體系中應(yīng)用。因此，迫切需要發(fā)展能夠規(guī)模化應(yīng)用的高穩(wěn)定性多功能化的電解液。
圖片來(lái)源：曹余良教授課題組提出穩(wěn)定化鋰離子電池電解液新思路
該課題組通過(guò)研究，提出了配位數(shù)規(guī)則來(lái)增強(qiáng)電解液的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)上述有機(jī)溶劑電解液與石墨負(fù)極的兼容性。根據(jù)配位數(shù)規(guī)則，在高配位數(shù)溶劑（HCNS）電解液中引入低配位數(shù)（LCNS）共溶劑，能夠降低電解液溶劑整體的配位數(shù)，迫使陰離子進(jìn)入鋰離子的溶劑化鞘層與鋰離子絡(luò)合，形成陰離子參與的離子溶劑配位的溶劑化結(jié)構(gòu)。這樣的溶劑化結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的溶劑與鋰離子四配位的溶劑化結(jié)構(gòu)相比具有更好的還原穩(wěn)定性，從而實(shí)現(xiàn)了碳酸丙烯酯基、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）基和磷酸三甲酯（TMP）基電解液與石墨負(fù)極的兼容性。電化學(xué)測(cè)試表明，LCNS的引入顯著提高了電解液與石墨負(fù)極的兼容性；紅外光譜分峰擬合表明，LCNS的加入降低了電解液中溶劑的配位數(shù)，使陰離子參與了鋰離子的絡(luò)合；密度泛函理論計(jì)算表明，陰離子參與的溶劑化結(jié)構(gòu)具有更高的還原穩(wěn)定性。該工作還進(jìn)一步地提出使用組成式以及結(jié)構(gòu)式來(lái)描述電解液的組成和電化學(xué)穩(wěn)定性。其中，組成式可以用來(lái)描述電解液的物化參數(shù)；而結(jié)構(gòu)式描述了電解液的溶劑化結(jié)構(gòu)，可以預(yù)測(cè)電解液的電化學(xué)穩(wěn)定性。 該工作提出了配位數(shù)規(guī)則，建立了溶劑化結(jié)構(gòu)與電解液電化學(xué)穩(wěn)定性之間的關(guān)系，并表明可以通過(guò)調(diào)節(jié)電解液的溶劑化結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)控鋰離子電池電解液的電化學(xué)穩(wěn)定性，為發(fā)展先進(jìn)的鋰離子電池電解液提供了思路和參考。
