近日，清华大学化工系刘凯课题组在极端工况锂电池电解液领域取得重要进展。
极端条件下的锂电池（LMBs）严重受限于缓慢的界面动力学和不稳定性的电极-电解质界面（SEI and CEI），然而研究人员缺乏在分子层面的对电极-电解质界面进行理性调控的基础，且目前大部分研究仅关注于锂金属负极侧的SEI设计。相比之下，高压正极侧CEI界面的结构和性能研究严重缺乏，有限的CEI设计策略和调控手段严重限制了LMBs的综合电化学性能（尤其在极端条件下）。
清华大学化工系刘凯课题组设计开发了一类全新的特殊不对称锂盐，致力于构建特殊的阴离子衍生CEI化学。基于传统的磺酰亚胺基锂盐，设计合成的一类亚磺酰亚胺基锂盐（LiSTFSI和LiBSTFSI），相较于传统的磺酰亚胺锂盐（例如LiTFSI）具有特殊的氧化性，能够在正极表面构筑阴离子衍生的界面化学。
图1. 商业化磺酰亚胺锂盐LiTFSI与亚磺酰亚胺锂盐LiSTFSI和LiBSTFS的设计思路及理化特性
图2. STFSI-阴离子的电化学氧化耦合聚合机理及其衍生的界面化学
不对称锂盐LiSTFSI可以在高压正极表面触发特殊的阴离子电化学氧化耦合聚合机理，构筑一个由N-S为主链的阴离子无机聚合物覆盖的双层CEI。界面中特殊的无机阴离子聚合物能够同时表现出无机物的硬度和聚合物的韧性，赋予界面优异的机械稳定性。同时，无机阴离子聚合物能够在CEI中附加固定的负电荷，其与锂离子间的库伦作用能够吸引锂离子进而加速正极表面的去溶剂化过程，显著降低界面的电荷转移阻抗和能垒。这一加速的界面动力学能够显著提高锂金属电池在极端条件（低温、高功率）下的电化学性能。
凭借着这一阴离子衍生的界面设计，3.5 Ah工业级锂金属软包实现了最高474 Wh/kg的高能量密度，并能够在30℃下进行14C（56 mA/cm2，功率密度5080 W/kg）的超高功率放电。即使是在-20℃和-40℃下，依然分别能够实现8C（382Wh/kg，3590 W/kg）和4C（321Wh/kg，1517 W/kg）的超高功率放电。
相关成果以“打破磺酰亚胺阴离子的分子对称性助力极端工况下的高性能锂金属电池”（Breaking the molecular symmetricity of sulfonimide anions for high-performance lithium metal batteries under extreme cycling conditions）为题发表在国际学术期刊《自然·能源》（Nature Energy）上。
刘凯课题组长期致力于发展新型的功能锂盐材料，通过超分子化学与不对称阴离子的交叉，发展了一系列具备自主知识产权的功能锂盐添加剂，解决高能锂电池的动力学迟滞、安全性差等问题。如曾提出一种具有超分子折叠结构的不对称锂盐阴离子，其带来的负极侧SEI自清洁机制独特性质提升了负极的性能，显著强化了电池的功率特性(Nature Energy, 2023, 8, 934-945；Angewandte Chemie International Edition, 2024, 63, e202316717；Energy & Environmental Science, 2024, 17, 8057-8077.)；超分子界面自组装功能赋予强化质荷传递，为解决电池低温下容量缩水及安全性难题提供新思路（Nature Communications, 2022, 13, 2029；Energy & Environmental Science, 2024, 17, 4531；Energy & Environmental Science, 2024, 17, 8325-8336.）；非共价卤键阻燃剂提升电池安全特性（CCS Chemistry, 2022, 5, 1612–1622；Energy Storage Materials, 2022, 45, 182.）；超分子锂盐改善全固态电解质的离子输运和电荷转移特性，降低本体和界面阻抗，提升全固态电池的循环稳定性（Angewandte Chemie International Edition, 2023, 62, e202306948；ACS Nano 2023, 17, 19398-19409；Advanced Functional Materials, 2023, 33, 2303739.）
清华大学化工系副教授刘凯为论文通讯作者，化工系2021级直博生陆洋为论文第一作者，化工系博士后曹清彬、博士后章伟立为论文共同第一作者。研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划和北京市自然科学基金等的资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41560-024-01679-4
