近日，深圳市天沐新能源有限公司（以下简称“天沐”）创始人、哈尔滨工业大学索维奇智能新材料诺奖实验室张嘉恒教授在共晶电解液领域取得重要研究进展，相关研究成果发表在《Advanced Energy Materials》、《ACS Nano》、《Nano-Micro Letters》和《Small》等国际顶级期刊杂志上。

锂离子电池已被广泛应用于人类生活的方方面面，如电动汽车，便携式电子产品和电网储能站等。随着社会的迅速发展，人们对电池能量密度的要求越来越高。然而基于石墨阳极（理论容量372 mAh g-1）的传统锂离子电池很难满足越来越高能量密度的需求。因此需要开发新的电池化学成分，现在人们普遍认为锂金属电池有希望能解决人们在能量密度方面的焦虑，因为锂金属具有最低的氧化还原电位（与标准氢电极相比为-3.04 V）和高的理论容量（3860 mAh g-1）。但锂金属电池中锂枝晶的生长和不稳定的固体电解质界面层阻碍了高能量密度锂金属电池的发展。同时，目前使用的大部分商用有机碳酸酯电解液存在低的热稳定性和易燃性，是锂离子电池自燃甚至爆炸的主要原因。因此，设计开发同时具有不可燃和抑制锂枝晶生长的新型电解液迫在眉睫，以促进下一代高安全性和高能量密度锂金属电池的发展。天沐团队针对目前电解液痛点问题进行了相应的研发工作，具体如下：

01 引入硝酸锂

硝酸锂被广泛应用为电解质的添加剂用于调节固态电解质界面膜，但其在锂金属电池中的应用被传统碳酸酯电解液的极低溶解度所限制。张嘉恒教授团队利用共晶分子中的强相互作用力提高了硝酸锂在共晶电解液中的溶解度，组成不可燃的安全电解液（图1）。同时应用于多种高能量密度的三元正极锂金属电池中抑制了锂枝晶的生成并展示出了长效稳定的循环性能。相关研究成果发表于国际顶级期刊杂志《Advanced Energy Materials》（影响因子29.70）上，哈工大博士研究生梁一红和哈工大博士研究生、天沐联合创始人、天沐首席研发吴万宝为该论文共同一作。

02 开发高安全性共晶电解液

共晶电解液虽然具有高热稳定和不可燃性，但仍然存在高粘度，与锂金属兼容性差的问题。张嘉恒教授团队设计开发了一种不可燃共晶电解液，同时引入氟化醚作为共溶剂，降低电解液粘度，提高电解液与锂金属的相容性。这种安全电解液有利于球形锂的沉积，无枝晶生长（图2）；应用于以磷酸铁锂和锰酸锂作为正极的锂金属电池时，可以在室温和60℃高温下实现稳定的循环性能。该研究为共晶电解液在锂金属电池中的发展提供了一个新的视角。相关研究成果发表于国际顶级期刊杂志《Nano-Micro Letters》（影响因子23.66）上，哈工大博士研究生、天沐联合创始人、天沐首席研发吴万宝为该论文第一作者。

03 开发三元共晶电解液提供新思路

尽管共晶电解液有很多优点，但高粘度和低离子电导率是限制其在电化学储能领域应用的主要问题。张嘉恒教授团队设计了一种不可燃三元共晶电解液，提出了 “竞争性溶剂化”机制，降低电解液粘度，提高共晶电解液的电导率和稳定性（图3）。受益于三元共晶电解质的优势特性，即使在高电流密度、低温和高温等苛刻条件下，组装的电池仍然表现出卓越的循环性能和高的库仑效率。这项研究为理解和设计锂金属电池和类似的钠/钾金属电池的更好的电解液提供了见解。相关研究成果发表在国际顶级期刊《ACS Nano》（影响因子18.03）上。哈工大博士研究生、天沐联合创始人、天沐首席研发吴万宝为该论文第一作者。