2025-07-08 11:30:14
【导语】锂金属电池因其高能量密度和低电化学电位被视为下一代高能电池的“理想之选”。然而，高电压下的稳定性问题一直是其实用化的难题。近日，中山大学的研究团队通过分子结构工程策略，构建了一种三元复合电解液添加剂体系PAFE，有效提升了锂金属电池在4.7 V电压下的循环稳定性和安全性。这项研究不仅为锂金属电池的高电压应用提供了新策略，还展示了从实验室研究向产业化转化的潜力，为高能量密度储能器件的发展奠定了坚实基础。
锂金属电池，因其极高的理论能量密度和极低的电化学电位，被视为下一代高能电池的“理想之选”。然而，想让这位“高能选手”稳定地在高电压下工作，却并不容易。
特别是在充电截止电压达到4.7 V时，传统电解液往往力不从心：电(diàn)解(jiě)液(yè)分(fēn)解(jiě)、界(jiè)面(miàn)层(céng)（SEI/CEI）破(pò)裂(liè)、锂(lǐ)枝(zhī)晶(jīng)生(shēng)成(chéng)、容(róng)量(liàng)迅(xùn)速(sù)衰(shuāi)减(jiǎn)……这(zhè)些(xiē)“老(lǎo)问(wèn)题(tí)”严(yán)重(zhòng)阻(zǔ)碍(ài)了(le)锂(lǐ)金(jīn)属(shǔ)电(diàn)池(chí)的(de)实(shí)用(yòng)化(huà)步(bù)伐(fá)。
近(jìn)日(rì)，来(lái)自(zì)中(zhōng)山(shān)大(dà)学(xué)材(cái)料(liào)科(kē)学(xué)与(yǔ)工(gōng)程(chéng)学(xué)院(yuàn)的(de)王(wáng)成(chéng)新(xīn)/雷(léi)丹(dān)妮研究团队利用分子结构工程策略，构建了一种三元复合电解液添加剂体系PAFE：通过Al(EtO)3与氟代碳酸乙烯酯和乙氧基五氟环三磷腈分子的协同配位，在电极表面原位聚合形成均匀的固态电解质界面，同步缓解三元正极晶格应力并抑制负极枝晶，提升了锂金属电池在4.7 V电压下的循环稳定性和安全性。
三种添加剂，构筑一个“理想界面”
PAFE的核心在于一种精心设计的三元配方：乙醇铝（Al(EtO)3）、氟代碳酸乙烯酯（FEC）和乙氧基（五氟）环三磷腈（PFPN）。它们在传统碳酸酯基电解液中协同反应，形成了一个独特的三维交联聚合网络。
这个聚合网络具有多重功能：
均匀化锂离子流：使LiF、Li3N、Li3P、Al2O3等无机组分在SEI/CEI中均匀分布，从而实现更加均匀(yún)的(de)锂(lǐ)离(lí)子(zi)传(chuán)输(shū)；
降(jiàng)低(dī)锂(lǐ)离(lí)子(zi)迁(qiān)移(yí)能(néng)垒(lěi)：显(xiǎn)著(zhe)提升离子传导速率，改善电池的倍率性能；
提升机械强度与热稳定性：形成更致密、更坚固的界面层，有效抑制锂枝晶生长；
增强阻燃性：PFPN分解产物具有优异的阻燃作用，提升电池安全等级。
电解液设计策略。（a-c）不同电解液中锂离子在界面迁移的活化能。PFE（d）和PAFE（e）中形成的电极/电解质界面示意图。（f）BE和PAFE电解液的可燃性测试。BE（g）和PAFE（h）中形成的SEI和CEI的保护机制。
性能验证：高电压下的稳定长跑
研究团队在一系列实验中验证了PAFE电解液的实际效果：
在4.7 V高压下运行140个循环后，容量保持率依然高达80%，表现远优于使用传统电解液的对照组；
在商用NCM811正极和锂金属负极组合下，1 Ah软包电池实现了80次稳定循环，无明显鼓胀或容量衰减。
Li||NCM811 电池的电化学性能。（a-d）纽扣电池在不同电解液中的循环性能和充放电曲线。（e）1 Ah Li||NCM811软包电池在3.0-4.7 V电压范围内的循环性能。使用BE电解液的电池（f）在循环20次后出现明显膨胀，而使用PAFE电解液的电池（g）循环80次后没有出现明显膨胀，证明PAFE有效抑制了气体的产生。（h）PAFE优于最近最先进的电解液体系。
研究意义与应用前景
这项研究表明，通过精确调控电解液中的添加剂反应，可以在电池运行初期就“设计好”所需的界面结构。这不仅改善了锂金属电池在高电压下的性能，也为未来构建更高电压、更高能(néng)量(liàng)密(mì)度(dù)的(de)系(xì)统(tǒng)提(tí)供(gōng)了(le)可(kě)借(jiè)鉴(jiàn)的(de)界(jiè)面(miàn)策(cè)略(è)。
在(zài)实(shí)际(jì)应(yīng)用(yòng)场(chǎng)景(jǐng)中(zhōng)，PAFE 体(tǐ)系(xì)的(de)组(zǔ)成(chéng)具(jù)有(yǒu)显(xiǎn)著(zhe)的(de)工(gōng)程(chéng)化(huà)优(yōu)势(shì)：除(chú) Al(EtO)3添(tiān)加(jiā)剂(jì)外(wài)，其(qí)余组分均为商业电解液的常用成分，这一特性极大降低了体系的应用门槛与兼容性成本。尤为重要的是，Al(EtO)3的制备工艺简单高效，目前已在实验室实现批量低成本合成，为该体系从实验室研究向产业化转化奠定了坚实基础。这种兼具材料普适性与制备经济性的设计，使其在提升电池性能的同时，具备了规模化应用的可行性。
总结
将“添加剂”这颗小螺丝钉调得精准有力，便可撬动锂金属电池这个庞大系统的稳定性提升。这正是PAFE体系的亮点所在：以微观结构优化促进宏观性能跃升，为高能量密度储能器件的发展打下坚实基础。这项成果已发表于《国家科学评论》（National Science Review）。
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