與傳統(tǒng)的石墨負極相比，鋰金屬負極具有高的理論比容量（3860 mAh/g）和極低的電化學(xué)電位，有望助力實現(xiàn)鋰金屬電池500Wh/kg的能量密度目標。然而，不可逆的電極-電解質(zhì)界面副反應(yīng)、不可控的枝狀鋰生長、“死鋰”積累以及過大的極化電位，導(dǎo)致電池安全和失效問題。匹配高鎳三元正極有利于高能量密度的實現(xiàn)，而正極界面的不穩(wěn)定易造成過渡金屬溶解，致使活性物質(zhì)損失和容量衰減。合理的電解液配方可以衍生出穩(wěn)定的正負極/電解質(zhì)界面，驅(qū)動高比能鋰金屬電池的長效運行。

針對負極鋰枝晶生長及高鎳三元正極界面不穩(wěn)定的問題，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員李馳麟團隊提出了一種協(xié)同作用的離子“殼-核”型復(fù)合物作為醚類和酯類電解液添加劑，通過高LUMO能級的有機陽離子基團（“殼”）對溶劑化鋰離子的排斥作用和具有豐富氧端基及非局域電荷分布的Keggin型多金屬氧酸鹽POM（“核”）對鋰離子的富集作用，實現(xiàn)了對鋰離子流的定向引導(dǎo)及鋰金屬的受控核化生長。研究利用有機陽離子基團的高HOMO能級及強吸附特性可以通過預(yù)先氧化成膜進一步穩(wěn)定電解液/LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂正極的界面。相關(guān)研究成果以Lithium Ion Repulsion-Enrichment Synergism Induced by Core–Shell Ionic Complexes to Enable High-Loading Lithium Metal Batteries為題，發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》上。 

在鋰離子電鍍過程中，表面帶正電荷的添加劑易吸附在突起的電子集中分布的尖端上，靠近這些區(qū)域的鋰離子受到一定程度的排斥，從而使鋰離子在負極上的流動分布趨于均勻化。逐漸釋放的具有非定域負電荷和豐富O官能團的無機POM核將收集從尖端排斥至周圍的鋰離子或在電解液中溶劑化的鋰離子。在重復(fù)充放電過程中的電場力作用下，POM聚陰離子和反電荷離子之間的動態(tài)可逆和非錨定的靜電相互作用使POM的釋放具有可持續(xù)性。在捕獲電子后，這些POM核將和被吸收的鋰離子共組裝，類似特殊的成核調(diào)節(jié)器，因此，Li離子流和Li金屬沉積被進一步引導(dǎo)和均化。這一斥鋰-富集協(xié)同機制促進LiF和LiN_xO_y組分在負極界面層（SEI）的富集，利于對鋰枝晶的抑制作用。 

這類離子復(fù)合物改性的電解液可以使對稱鋰金屬電池在3和5 mA/cm²的高電流密度下分別具有超過500和300個周期的長循環(huán)壽命。差分電容測試表明，控制SEI形成的雙電層中吸收的離子發(fā)生了重排。在電解液中只添加POM鹽后，鋰沉積物即可組裝成凹形的土坯堆積；進一步的復(fù)合添加劑改性可促進表面光滑、排列緊密的球形鋰鍍層的形成。DFT計算驗證了負極側(cè)斥鋰-富集協(xié)同機制的合理性以及正極側(cè)改性固態(tài)電解質(zhì)界面（CEI）的預(yù)先形成。雙向功能化的電解液實現(xiàn)了對高電位LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂正極的兼容，使其在20 mg/cm²的高載量下仍可長效循環(huán)上百次。 

研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、上海市科學(xué)技術(shù)委員會等的支持。 

離子“殼-核”型復(fù)合物添加劑對高鎳三元鋰金屬電池正負極的改性作用 

斥鋰-富集協(xié)同作用機制對鋰金屬枝晶的抑制作用 

離子“殼-核”型復(fù)合物添加劑對鋰金屬電池電化學(xué)性能的改進 

協(xié)同作用調(diào)控的鋰沉積形貌改進和DFT計算驗證