电解液是通俗来讲是“电池的血液”，是二次电池的重要组成，对于调控电池性能具有至关重要的影响。湖南大学物理与微电子科学学院马建民副教授聚焦电解液的应用基础研究，近期取得了系列进展，在国内外期刊发表系列论文。
添加剂是电解液研究的重要策略，在商业领域也被广泛应用。目前已经被报道用于金属锂电池的电解液添加剂包括成膜剂、阳离子屏蔽剂、溶剂化调节剂等。大多数已被报道的电解液添加剂研究往往只从单一角度研究了电解液提升电池性能的机理, 缺乏对添加剂电化学行为的系统认知。为此, 该课题组首次提出”金属锂电池电解液添加剂多因子设计原则”，即调控锂离子溶剂化结构、固体相界面膜（SEI）结构与成份、锂成核与生长等，为新型电解液添加剂开发提供有益指导原则。相关研究成果以“Electrolytes enriched by potassium perfluorinated sulfonates for lithium metal batteries”为题发表在Science Bulletin, 2020, doi: 10.1016/j.scib.2020.09.018。
图1 电解液成份基于第一性原理和分子动力学计算分析
通过选取有效的电解液添加剂来形成稳定的SEI是抑制锂枝晶的一种最简单有效的方法。LiF具有低的Li+扩散势垒，可以促进Li+的快速运输。然而，LiF对Li+的吸附能力很差，不利于锂金属在其表面沉积。该课题组首次利用双三氟乙酰胺（BFA）作为电解液添加剂设计了一种梯度结构的SEI层。这种SEI层具有富含C-F键的表面层，可以快速均匀的吸附Li+；靠近锂金属负极的底部富含LiF成分，可以实现锂离子的快速传导，从而抑制锂枝晶的生长，使金属锂电池稳定性能。相关研究成果以“Gradient solid electrolyte interphase and lithium-ion solvation regulated by bisfluoroacetamide for stable lithium metal batteries”为题发表在Angewandte Chemie International Edition, 2020, doi:10.1002/ange.202013993。
另外，该课题组根据电解液添加剂设计原则，围绕制约金属锂电池的关键科学问题，设计出系列电解液添加剂，并对相关机理进行深入研究，相关成果发表在Advanced Functional Materials, 2020, doi: 10.1002/adfm.202002578和Advanced Functional Materials, 2020, doi: 10.1002/adfm.202009013。并受邀撰写综述Advanced Energy Materials, 2020, doi:10.1002/aenm.202000962和Journal of Physics D: Applied Physics, 2020, doi: 10.1088/1361-6463/abd353。
上述研究得到湖南省重点研发计划、国家自然科学基金相关项目的支持。
