記者3月22日獲悉，中國科學技術大學化學與材料科學學院任曉迪教授團隊聯(lián)合火災科學國家重點實驗室王青松教授團隊，研究發(fā)現(xiàn)利用分子間氫鍵的相互作用可以顯著改善醚基電解液在電極界面的穩(wěn)定性，并可有效抑制鋰金屬電池熱失控過程。相關成果日前發(fā)表在《自然·通訊》上。
鋰金屬電池具有超高的能量密度，被視為下一代電池技術的有力競爭者。但它在電解液穩(wěn)定性和安全性方面還面臨著不小的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的碳酸酯類電解液雖然在鋰離子電池中得到廣泛應用，卻難以兼容活潑的鋰金屬負極。提高電解液濃度雖然可以在一定程度上改善醚的電化學穩(wěn)定性，卻帶來了成本增加、低溫性能衰減等問題。更為棘手的是，大量陰離子的存在會引發(fā)熱失控等安全問題。
針對上述難題，研究人員提出一種全新的分子錨定策略，有望同時解決醚基電解液的高壓和安全難題。他們在乙二醇二甲醚中加入含強極性碳—氫基團的氟代醚溶劑，發(fā)現(xiàn)兩者可以通過分子間的“錨定”作用，有效降低醚鍵上氧原子的電子云密度，大幅提高溶劑的抗氧化能力。
基于分子錨定概念設計的電解液，展現(xiàn)出優(yōu)異的高壓性能。為了揭示其機制原理，研究人員開展了系統(tǒng)的表界面分析。結(jié)果表明，在分子錨定電解液中，溶劑分子之間通過氫鍵形成穩(wěn)定復合物，有利于提升電解液的熱力學穩(wěn)定性。此外，由于減少了活潑陰離子的使用，分子錨定電解液在高電壓正極表面誘導形成的界面膜也更薄更穩(wěn)定。
研究人員進一步考察了電解液的安全性能。在鋰金屬軟包電池中，當溫度升高到140攝氏度左右時，高濃電解液與鋰金屬劇烈反應并放出大量熱量，而分子錨定電解液與鋰的相容性得到大幅提升。分子錨定電解液可以將熱失控開始的溫度提高到209攝氏度以上。
研究人員表示，設計合理的分子間相互作用可以從根本上改變電解液的性能，為未來電池電解液的分子工程提供新的方向。
（記者吳長鋒）