有望解決鋰電池關鍵問題！斯坦福大學崔屹團隊研發懸濁電解液，論文作者親自解讀——_風聞

今日，斯坦福大學崔屹教授課題組開發設計了懸濁電解液，並將這種電解液用於構築高性能金屬鋰電池。該研究成果發表在《自然·材料》（Nature Materials）上。果殼編輯團隊第一時間聯繫了研究團隊，文章通訊作者崔屹教授告訴果殼：“我們近期開發研究了懸濁電解液，這種設計理念可以實現常用液態電解液的改性提高，也是電解液開發的新思路和新平台。”

以下為論文第一作者張澤文為果殼硬科技撰寫的論文解讀。

張澤文 | 作者

酥魚、靳小明 | 編輯

金屬鋰電池是指利用鋰金屬作為負極的電池，是最有希望的下一代高能量密度存儲設備之一，能夠滿足新興行業的嚴格性能要求。然而，將鋰離子電池的石墨負極直接替換成金屬鋰負極，可能導致循環性能較差，甚至產生安全性問題，而電解液設計則被認為是能夠改善這類問題的有效途徑。

懸濁電解液好在哪？

傳統鋰離子電池電解液使用的是純溶液，在室温混合均勻的狀態下不含固體組分。懸濁電解液的區別在於向電解液中添加了納米顆粒，為什麼這樣做呢？

傳統鋰離子電池碳酸酯電解液（左）和對應的添加Li2O納米顆粒的懸濁電極液（右）| 參考文獻[1]

金屬鋰負極面臨的一大重要問題，是在電池充放電過程中鋰會形成枝晶沉積。這些枝晶會引發兩方面問題，其一是再放電時，電池與負極的連接容易斷開，從而失去活性，損失容量；此外也存在一些安全隱患，因為樹枝狀的晶體容易破壞電池結構，引發電池內短路。所以我們希望沉積出來的金屬鋰是大塊的，這是把金屬鋰電池推向實用化的重要步驟。

目前電池領域對於如何控制金屬鋰的沉積還沒有完整的認識，是因為電池電極表面存在的一層納米厚度的鈍化膜。這是一種由負極材料和電解液反應自發形成的膜，使得電池能夠穩定運行，這層膜的組成、結構與性質又主要由電解液的性質決定，其質量的好壞也很大程度上決定了金屬鋰電極的性能。

鈍化膜的結構組成非常複雜，包含無機和有機的很多種電解液分解產物，氧化鋰就是其中一種常見的無機組分。

在這項研究中，我們向電解液中加入了氧化鋰納米顆粒，它不僅通過增加鈍化膜中無機物的比例來調控鈍化膜的生成，改善鈍化膜的性質，還能保持相對更好的分散性，使電解液在懸濁液狀態保持更長時間，維持電池的穩定工作狀態。在添加Li2O納米顆粒的懸濁電解液中，金屬鋰沉積為塊狀。

傳統電解液與懸濁電解液效果對比金屬鋰在商用碳酸酯電解液中沉積成枝晶狀（左）和在對應添加Li2O納米顆粒的懸濁電極液中沉積為塊狀（右） | 參考文獻[1]

產業化前景如何？

這種電解液設計思路能夠拓寬現有的電解液研究範圍，為新型高能量密度電池提供新的電解液解決方案。目前，電解液的設計概念尚處在探索階段，還需要完善優化各個方面。此外，這項設計和電解液溶劑和溶質設計是獨立的，可以應用於新的電解液體系。若要走上產業化道路，如何保證懸濁電解液的穩定性是接下來需要解決的問題。

研究團隊

通訊作者崔屹，斯坦福大學材料系教授， Precourt能源研究院主任，本科畢業於中國科學技術大學，博士畢業於哈佛大學，在加州大學伯克利分校從事博士後研究。主要研究領域為：納米材料設計、合成和性能研究以及應用在能源存儲、太陽能電池、催化、水和空氣淨化；二維層狀材料；拓撲絕緣體；納米生物學。在斯坦福大學任教以來，崔屹教授培養了160位博士，目前已有超過80位獲得了教授職位。《麻省理工科技評論》推出的“35歲以下創新35人”（TR35）榜單，2004年崔屹教授就已入選，其實驗室也已走出14位入選者，其中入選全球榜4人、中國榜10人。

（共同）第一作者

Mun Sek Kim，斯坦福大學化學工程系博士生；

張澤文，斯坦福大學材料科學與工程系博士生，本科畢業於清華大學材料學院。

論文信息

發佈雜誌

 《自然·材料》Nature Materials

發佈時間

2022年01月17日

發佈標題

Suspension electrolyte with modified Li+ solvation environment for lithium metal batteries

DOI：10.1038/s41563-021-01172-3

https://www.nature.com/articles/s41563-021-01172-3

參考文獻：

[1] Kim, M. S. et al. Suspension electrolyte with modified Li+ solvation environment for lithium metal batteries. Nat.Mater. https://doi.org/10.1038/s41563-021-01172-3