（材料科学与工程学院/文、图）近日，哈工大深圳校区材料科学与工程学院教授、索维奇智能新材料诺奖实验室成员张嘉恒在共晶电解液领域取得重要研究进展，相关研究成果在《Advanced Energy Materials》《ACS Nano》《Nano-Micro Letters》和《Small》等国际顶级期刊上发表。
张嘉恒介绍说，锂离子电池已被广泛应用于电动汽车、便携式电子产品、电网储能站等多个领域，随着社会发展，人们对电池能量密度的要求也越来越高。然而基于石墨阳极（理论容量372 mAh g-1）的传统锂离子电池很难满足越来越高能量密度的需求，因此开发新的电池化学成分成为了重要的科学问题。由于锂金属具有最低的氧化还原电位（与标准氢电极相比为-3.04 V）和高的理论容量（3860 mAh g-1），人们普遍认为锂金属电池有望解决能量密度方面的问题，但锂金属电池中锂枝晶的生长和不稳定的固体电解质界面层阻碍了高能量密度锂金属电池的发展，同时目前使用的大部分商用有机碳酸酯电解液存在低的热稳定性和易燃性，是锂离子电池自燃甚至爆炸的主要原因。因此，设计开发同时具有不可燃和抑制锂枝晶生长的新型电解液迫在眉睫，对促进下一代高安全性和高能量密度锂金属电池的发展具有重要意义。
硝酸锂被广泛应用为电解质的添加剂，用于调节固态电解质界面膜，但其在锂金属电池中的应用被传统碳酸酯电解液的极低溶解度所限制。张嘉恒教授团队利用共晶分子中的强相互作用力提高了硝酸锂在共晶电解液中的溶解度，最高可达4 wt%，组成不可燃的安全电解液（图1）。同时，硝酸根阴离子参与到锂离子的溶剂化结构中，这种特殊的溶剂化结构有助于形成富阴离子衍生的稳定固体电解质界面膜，有效抑制锂枝晶生成，应用于多种高能量密度的三元正极锂金属电池中展示出了长效稳定的循环性能。研究成果以“Highly stable lithium metal batteries by regulating the lithium nitrate chemistry with a modified eutectic electrolyte”为题发表于国际顶级期刊《Advanced Energy Materials》（影响因子29.70）上，论文（共同）第一作者为校区2019级博士研究生梁一红、吴万宝。
图1. (a) DES电解液的合成路线；(b) DES电解液和碳酸酯电解液的可燃性测试；(c) 不同电解液在原位Li||Cu电池中的光学沉积形貌；(d) 碳酸酯电解液和(e) DES电解液的锂沉积SEM图像
共晶电解液虽然具有高热稳定和不可燃性，但仍然存在高粘度、与锂金属兼容性差的问题。张嘉恒教授团队设计开发了一种由双三氟磺酰亚胺锂和丁内酰胺组成的不可燃共晶电解液，同时引入氟化醚作为共溶剂，降低电解液粘度，提高电解液与锂金属的相容性。这种安全电解液原位形成了富含LiF、Li3N和Li-N-C的无机/有机固体电解质界面膜，有利于球形锂的沉积，无枝晶生长（图2）。应用于以磷酸铁锂和锰酸锂作为正极的锂金属电池时，可以在室温和60℃高温下实现稳定的循环性能。该研究为共晶电解液在锂金属电池中的发展提供了一个新的视角，研究成果以“Safe and Stable Lithium Metal Batteries Enabled by an Amide-based Electrolyte”为题，发表于国际顶级期刊《Nano-Micro Letters》（影响因子23.66）上，论文第一作者为校区2019级博士研究生吴万宝。
图2. 不同电解质的镀锂行为示意图：(a) 商用电解液和(b)共晶电解液。
尽管共晶电解液有诸多优点，但高粘度和低离子电导率是限制其在电化学储能领域应用的主要问题。张嘉恒教授团队设计了一种由双三氟磺酰亚胺锂、丁内酰胺和丁二腈组成的不可燃三元共晶电解液，提出利用丁二腈和丁内酰胺之间的“竞争性溶剂化”机制，降低电解液粘度，提高共晶电解液的电导率和稳定性（图3）。丁内酰胺对锂离子的优先配位，有利于形成稳定的固体电解质界面膜，诱导形成均匀和无枝晶的锂沉积。受益于三元共晶电解质的优势特性，即使在高电流密度、低温和高温等苛刻条件下，组装的电池仍然表现出卓越的循环性能和高的库仑效率。这项研究为理解和设计锂金属电池和类似的钠/钾金属电池的更好的电解液提供了见解。研究成果以“A Competitive Solvation of Ternary Eutectic Electrolytes Tailoring the Electrode/Electrolyte Interphase for Lithium Metal Batteries”为题发表在国际顶级期刊《ACS Nano》（影响因子18.03）上，论文第一作者为校区2019级博士研究生吴万宝。（审核：徐成彦）
图3. 三元共晶电解质中的竞争溶剂化以及SEI和CEI调控示意图。
