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西安交通大学在宽温域锂金属电池技术上取得重要突破

2025-02-07 20:49:54 来源：西安交通大学新闻网

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简介：近日，西安交通大学化学学院的丁书江教授、郗凯教授和高国新副教授领导的课题组，在电解液工程领域取得了显著进展，为宽温域锂金属电池构建了一种高离子传导性的坚固界面相，显著提升了锂金属电池在宽温域内的循环稳定性。他们通过向商用电解液中添加1,3-丙磺酸内酯、乙酸乙酯和FEC，设计了一种能够同时稳定锂金属电池正负极界面相的双功能电解液。

将金属锂与高镍三元正极（例如NCM811）结合所制成的锂金属电池，被视为提升电动汽车续航里程的关键。然而，锂金属电池在实际应用中面临着诸多挑战，特别是在极端温度下，正极侧过渡金属离子的溶解、相变、Li/Ni混排，负极侧的锂枝晶生长、“死锂”沉积，以及固体电解液界面相（SEI/CEI）在连续锂沉积/剥离过程中的破裂等问题尤为突出。电解液作为电池的核心组件，对锂金属电池的界面相构成、结构稳定性及Li+传输动力学具有决定性影响，从而直接影响到锂金属电池在宽温域内的性能表现。

尽管氟代碳酸乙烯酯（FEC）常被用作电解液添加剂来构建高机械强度的富LiF界面相，但过量的LiF会阻碍Li+的传输，并且难以适应电极在循环过程中的体积变化。因此，为了推动宽温域锂电池的发展，有必要引入具有优良成膜功能的添加剂，与FEC协同作用，共同构筑出既具有高离子传导性又具备机械稳定性的界面相。

近日，西安交通大学化学学院的丁书江教授、郗凯教授和高国新副教授领导的课题组，在电解液工程领域取得了显著进展，为宽温域锂金属电池构建了一种高离子传导性的坚固界面相，显著提升了锂金属电池在宽温域内的循环稳定性。他们通过向商用电解液中添加1,3-丙磺酸内酯、乙酸乙酯和FEC，设计了一种能够同时稳定锂金属电池正负极界面相的双功能电解液。

其中，1,3-丙磺酸内酯在正极侧构建了由无机内层和有机外层组成的坚固CEI，有效保护了正极结构的完整性；FEC则在负极侧构建了富无机SEI，有效抑制了电解液的副反应，促进了Li+的快速传输；而乙酸乙酯的加入，则确保了电解液在宽温域内的稳定应用。实验结果显示，所组装的锂对称电池在宽温度范围内表现出低过电势和长达1000小时的稳定循环（30°C）。此外，优化后的电解液也适用于磷酸铁锂和钴酸锂正极，经过1000次循环后，容量保留率仍高达67%。

更重要的是，在贫液条件（g/Ah级）和宽温域范围（-40°C至+60°C）内，采用该电解液的Li||NCM811和石墨||NCM811软包电池均能正常工作。这一研究成果不仅为宽温度范围内高能量密度锂金属电池电解液的设计提供了新的思路，也为锂金属电池的商业化应用奠定了坚实的基础。

该研究成果以《电解液工程构建宽温域锂金属电池中坚固且高离子传导性的界面相》（Electrolyte Engineering to Construct Robust Interphase with High Ionic Conductivity for Wide Temperature Range Lithium Metal Batteries）为题，在化学领域权威期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）上发表。论文的第一作者为西安交通大学国家储能技术产教融合创新平台（中心）的博士生李雅楠，通讯作者为化学学院的丁书江教授、郗凯教授和高国新副教授。该研究得到了国家自然科学基金项目、陕西省自然科学基金项目和陕西省秦创源高层次创新创业人才项目的资助，同时，论文的表征及测试工作也得到了西安交通大学分析测试共享中心的大力支持。