中国科学院研究人员发明长寿命锂金属软包电池

8月14日消息，锂金属电池虽然理论能量密度超过500Wh/kg，但由于十分有限的循环寿命导致商业化进程却非常受限，这主要还是由于其电解液与电极界面稳定性较差，传统的电解液难以兼容锂金属负极和高压正极。因此，设计出在负极和正极均具有高稳定性界面的电解液，是实现高能量密度锂金属电池的关键。

中国科学院宣布，旗下物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心特聘研究员王雪锋联合北京大学、中国科学技术大学、苏州大学的科研人员提出了一种致密离子对聚集体(CIPA)电解质，可在稀薄电解质条件下发展出长寿命锂金属软包电池。

据官方介绍，这种具有独特纳米级溶剂化结构的接触离子对聚集体电解液，采用高镍正极（LiNi0.905Co0.06Mn0.035O2)组装的505.9Wh/kg锂金属软包电池，经过130个循环后能量保持率为91%。

相关研究成果已通过《Towardslong-life500 Wh kg-1lithiummetalpouchcellsviacompaction-pairaggregateelectrolytes》为题发表在《自然-能源》杂志上（IT之家附 DOI:10.1038/s41560-024-01565-z）。

▲锂金属负极的界面表征

据介绍，该工作采用冷冻透射电子显微镜，结合一系列先进的表面分析技术，研究固态电解质界面膜的结构、成分和空间分布。

在结构上，CIPA电解液在锂金属负极表面形成薄且均匀的SEI膜。该膜平均厚度约为6.2nm，低于局部高浓电解液中所形成的SEI膜。两种电解液中形成的SEI膜都表现出有机–无机复合结构，其中CIPA电解液所形成的SEI膜中Li2O纳米晶粒尺寸和分布表现出更高的均匀性。

在成分上，与CIPA电解液相比，LHCE-G3电解液形成的SEI中LiF含量较少且C-和O-的信号更强，表明FSI−阴离子分解减少，溶剂分解更为严重。

在空间分布上，CIPA电解液衍生的SEI膜中C-和S-元素从内到外分布更加均匀，而LHCE-G3电解液在SEI膜的外层检测到明显的C-信号，而S-信号则在内层集中，说明LHCE-G3电解液的还原行为是不均匀的，这会引发局部的锂沉积，导致锂枝晶的形成。

研究综合界面表征结果发现，CIPA电解液中FSI−阴离子通过集体电子转移机制迅速还原，形成富含LiF和Li2O且低有机含量的SEI膜。这种稳定的SEI层为锂金属负极提供了有效保护，防止了进一步的副反应，从而增强了锂金属电池的循环稳定性和安全性。