离子–溶剂化学新见解：张强、陈翔团队最新阴离子化学研究进展

科学百晓生

基于金属锂负极的二次电池能够突破传统锂离子电池的能量密度上限，有望满足未来社会发展的能源需求。但不稳定的电解液–锂负极界面阻碍了这一电池体系的发展，亟需开发下一代高性能电解液以解决这一问题。深入理解电解液溶剂化结构及其与电解液性质的构效关系，探究其中的微观化学原理，是开发先进电解液体系的重要手段。

清华大学张强、陈翔团队在锂电池电解液领域结合多尺度模拟与实验表征方法，提出了离子–溶剂化学理论，在分子层面上揭示了电解液与负极的化学反应机制（Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 734; Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 16643），并进一步将离子–溶剂模型从单一溶剂拓展至多溶剂体系（Fundam. Res. 2021, 1, 393），以深入探究实际电解液中的溶剂化结构和电解液组分的氧化还原稳定性，为电解液的理性设计提供了重要理论参考。

与此同时，电解液中盐阴离子在稳定电解液–电极界面、提升电池循环寿命方面的重要作用被不断揭示，但背后的机理仍不明确。对此，该团队结合理论计算与实验验证，对电解液结构中的阴离子及其对电解液稳定性的影响进行了深入研究，从阴离子化学角度进一步发展完善了离子–溶剂化学。

▲阴离子（左）和溶剂（右）的最低未占据分子轨道能级变化（∆LUMO）及其与结合能（E_b）的关系。

该工作选取常见溶剂和盐阴离子作为研究对象，构建了锂离子–溶剂–阴离子溶剂化模型。前线轨道分析表明阴离子参与锂离子溶剂化结构不仅能够提升溶剂的还原稳定性，同时使其自身还原稳定性降低，更有利于阴离子在电极表面发生还原分解。进一步的还原电势计算结果与前线轨道分析结果一致，溶剂化壳层内的阴离子相比自由阴离子具有更低的还原电势。实验表征方面，循环伏安测试证明了阴离子参与溶剂化结构后更易还原的趋势，最终能够形成阴离子主导的电极–电解液界面层，提升电池寿命。

▲电极–电解液界面层的组成表征（左）和电池循环寿命（右）。

▲阴离子参与锂离子溶剂化结构，形成阴离子主导的电极–电解液界面层示意图。

该工作的第一作者为清华大学化工系博士生姚楠和孙舒宇，通讯作者为清华大学张强教授和陈翔博士。

The Anionic Chemistry in Regulating the Reductive Stability of Electrolytes for Lithium Metal Batteries DOI：10.1002/anie.202210859

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202210859

清华大学张强/陈翔团队长期从事高比能电池电解液多尺度模拟与机器学习研究。近期，团队致力于打造先进电解液智能化设计平台——“电解液工程”，以人工智能方法加速电解液分子与实用化配方设计，助力打造下一代高比能电池技术，为我国新能源汽车、新型电力系统、消费电子等行业提供关键技术支撑，保障碳达峰碳中和国家重大战略决策。项目开展需要招聘相关研究人员，包括但不限于博士后、科研助理等。

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