科学家提出电解质新设计，有望成为高能锂金属电池的首选电解质

张炜冉，其本硕博先后毕业于华中科技大学、美国波士顿大学和美国马里兰大学。在他博士毕业的前夕，他收到了一份毕业礼物：自己的一作论文登上了 Nature Energy（IF 56.7）。

图 | 张炜冉（来源：张炜冉）

研究中，他提出了一种基于高能量锂金属电池的聚合物固态电解质设计原理。

锂金属负极，能够极大增加锂电池的能量密度。近年来，由于被视为是下一代能量存储设备的目标，关于锂金属电池的成果与日俱增。

其中，电解液是电池中最核心的部分之一。因此学界对此开展了大量研究。

有机液态电解液和无机固态电解质均能用于锂金属电池。然而，有机液体电解质可能会损害安全性。无机固体电解质尽管可以极大提高电池安全性，但是由于其较为坚硬，会导致固体电解质与固体电极的接触相对较差，从而给固固界面带来不稳定因素。

相比之下，聚合物电解质兼具良好的界面接触、以及良好的安全性，很好地继承了上述两者的优点。

但是，聚合物固态电解质仍然面临以下问题：离子电导率较低、锂负极稳定性差和锂枝晶生长严重。

此前，在大量优秀的工作中，离子电导率已经得到很好的提高。但是，聚合物电解质的锂负极稳定性和锂枝晶生长问题，始终没能得到保障。

这对所有固态电解质来说都是一个巨大挑战，因为当负极不稳定、并会产生锂枝晶的时候，这些刺状枝晶很容易刺穿电解质达到正极，从而导致电池短路、电池热失控，严重时还会引发电池燃烧和电池爆炸。

此前有大量研究表明：当提高电解质中的锂盐浓度时，会促进锂离子的传导，并在锂金属负极上形成良好的保护性固体电解质界面。

同时，这种固体电解质界面还富含氟化锂，能够起到抑制锂枝晶生长的作用。

然而，聚合物电解质在具备较高盐含量的同时，也会损害聚合物的机械强度。

（来源：Nature Energy）

基于这些理解，张炜冉等人提出了一种新的聚合物电解质设计，使得在聚合物与锂金属的界面上，聚合物能够产生富含氟化锂的固体电解质界面（SEI，Solid Electrolyte Interphase），从而可以提高负极稳定性，并能抑制锂枝晶的生长。

此外，组成聚合物电解质的两种聚合物：导锂的聚合物和惰性高强度聚合物，能够通过相互混溶从而消除聚合物之间的界面，进一步阻挡锂枝晶的生长。

经过上述设计，张炜冉等人针对大量聚合物进行理性设计与筛选，最终基于可混溶聚合物共混物，得到一种局部高浓的固体聚合物电解质。

这种聚合物电解质在保持良好机械性能的基础上，能够极大提高负极稳定性，在抑制锂枝晶上表现出优异性能。

据了解，大多数聚合物对于锂负极的库伦效率在 90-98% 之间，而该团队将其提高到 99% 以上，从而让聚合物电解质的负极稳定性得到较大突破。

不仅如此，这种新型电解质在高压正极上也展现出极高的稳定性，远远超传统聚合物电解质。对于传统聚合物电解质来说，其往往无法匹配 4V 以上的高压正极。

但是，本次电解质可以耐受 4.5V 的高压，并能与高能量 NMC811 正极所匹配。

由于本次研发的聚合物电解质既能匹配高压正极，也能匹配高容量锂金属负极，因此很有希望用于高能量长寿命固态电锂金属电池。

此外，它具有很好的柔性，且相比传统液体电解质可以减少漏液风险和安全风险，所以十分适合用于便携式移动设备比如手机、电脑、可穿戴设备等，有望让缩小电池体积成为可能，从而让设备更加轻便、续航更久。

以苹果 Vision Pro 为例，作为一款头戴式 3D 设备，为了设备更加轻便它使用了外接电池，因此在使用时需要配一个外接充电宝，这毫无疑问会给用户带来麻烦，而本次电解质则具备解决这一问题的潜力。

此外，不仅仅于报道一种新的电解质成分，他们也致力于提出新的设计理念，使其能被用来筛选和设计新型聚合物电解质，助力于高能量电池的发展。

做博士课题，受益于不同的本科背景

事实上，在本次研究之前张炜冉完全没有做聚合物电解质的经验，也没有太多做锂金属电池的经验。

但好在在研究生期间材料科学的学习之外，他也有着本科的化学背景。因而，他一边向组里的师兄师姐学习电池、电解液的知识，时不时还会找本科时的老师和同学探讨聚合物化学的知识。

（来源：Nature Energy）

也是因为此，他对不同化学结构与性质有着很好的灵敏度，从而帮助他快速的筛选了许多聚合物组合。在之后他对这些组合进行大量的尝试，并针对每一种组合的优缺点加以总结。

通过此，他渐渐发现两种聚合物必须互混。而当两种聚合物不互混之时，电化学性质会显现出巨大的差距。

此外，针对不同的锂盐、以及不同的溶剂介质，张炜冉也进行了大量尝试。

对于液态电解质来说，将盐溶于溶剂当中便能很快配成电解液，并能快速组装大量电池进行测试。但是，对于聚合物固态电解质来说，则要经历复杂的溶解、浇筑成型、脱模等过程。

另外，聚合物固态电解电池的存活率，也远远低于液态电解质电池。一开始张炜冉还不够熟练，每当做出来一批电池，可能当场就会“死掉”一半。等测试结束之后，第二天又会“死掉”一半。

就这样一遍接一遍地轮回，一个星期倏地过去，对于他的耐心也是极大的磨炼。

“但是，当最终找到合适的成分和设计原理之后，也是真的为自己感到高兴。”他说。

最终，相关论文以《锂金属电池用单相局部高浓度固体聚合物电解质》（Single-phase local-high-concentration solid polymer electrolytes for lithium-metal batteries）为题发在 Nature Energy[1]。

张炜冉是第一作者，马里兰大学的王春生教授和斯里尼瓦萨·拉加万（Srinivasa R.Raghavan）教授、以及美国阿贡国家实验室吴英哲（Anh T.Ngo）教授担任共同通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Nature Energy）

“当导师一周七天来实验室，很难让自己不努力”

另据悉，水系电解液——是王春生课题组几年前最为出名的一个方向。刚到这里的时候，张炜冉也慕名选择了这一方向。

后来，由于水系电解质的局限性，他开始对锂金属和高压正极产生兴趣，于是也做了一些工作。再后来的某一天，他被安排去负责硅负极的项目，于是他又针对硅负极电解液和日历寿命开展了研究。

期间，他和导师尝试从锂金属电池液体电解质的概念中提炼新知识，从而便提出了本次聚合物电解质的概念。

再到后来，张炜冉始终无法实现关于某一个液态电解质的想法，遂尝试将它和固态电解质的见解结合起来，最后也取得了不错的结果。

一路走来，从一开始的液态电解质，目前来看张炜冉的个人研究方向已经整体上开始侧重于全固态电解质。

他说：“得益于在这五年里的经历，我对电池的不同方向都有了一定了解与尝试，虽然在不断更换课题之中，有一些工作来不及弄完浪费了一些时间，但也提高了我的认知与见解宽度，让我不会局限于某一处，而且这些方向也会互相带来启发。”

他继续说道：“所以我常说王老师是我的伯乐，如果在别的地方，像我这样什么都想做一下的学生，可能早就被教育了。”

在张炜冉眼中，导师王春生不仅仅一名博士生导师，也是一个育人的“老师”，他很希望学生能从他那里继承他的思想和思考方式，因此总是不遗余力地指导学生。

此外，该团队的论文产量非常高。对此，张炜冉表示这主要得益于以下三点：

其一，导师王春生的思维一直处于科研最前线，电池的绝大部分方向他都了解得很清楚，并且鼓励学生专注于研究更有挑战的方向，因此课题组的目标都很明确。

其二，导师王春生不太会受别人观点所影响。对待领域内每一个新工作，他思考的是这个工作提出了什么观点、证明了什么观点、什么观点是他同意的、什么观点又是他不同意的。

并且，他也一直要求学生们这样做。在他的长期影响之下，课题组的科研效率自然得到了较大提升。

其三，张炜冉表示：“最重要的是王老师自己就是一个十分努力的人。当你的导师一周七天都来实验室，你很难让自己不努力。”

而在接下来，张炜冉和同事将尝试本次聚合物电解质的扩大化制造，检测其在大电池下的能力。

此外，课题组也专注于无机固态电解质的研究。而无机固态电解质只有做薄，才能实现真正的应用。因此，他们也希望能将聚合物和无极固态电解质结合起来。

与此同时，AI 对于电解液的发展也十分重要。以本次工作为例，当确定设计聚合物电解质的主要逻辑之后，如果 AI 可以根据需求快速筛选潜在聚合物，那么就可以减少人为尝试、或者缩小尝试范围。

因此，该团队目前也正在和马里兰大学的工业 AI 中心的简·李（Jay Lee）教授合作使用 AI 开发电解液。

参考资料：

1.Zhang, W., Koverga, V., Liu, S.et al. Single-phase local-high-concentration solid polymer electrolytes for lithium-metal batteries. Nat Energy (2024). https://doi.org/10.1038/s41560-023-01443-0

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