文章背景
电解液是锂金属电池不可缺少的组成部分。然而，最先进的电解液设计在非标准条件下的实际应用和工业化方面面临着巨大的挑战，主要是由于电解液的固有特性和成本考虑。开发基于现有商用电解液的创新设计策略可以使这些方法更接近实际的工业实施。此外，当从微观机制的角度进行探索时，有必要在Li+溶剂化调制中采用开创性的策略来解决电极/电解质界面产生的复杂挑战。
内容简介
在这项工作中，作者开发了一种具有主客体相互作用的微观非均相电解液，称为共价有机纳米片(CON)胶体电解液。在这种胶体电解液中，介观CON优化了微观的Li+溶剂化环境，对Li+运输动力学产生了明显的影响。为了验证，采用典型的CON结构获得了一种胶体电解液，该电解液在超高压和低温条件下表现出卓越的电化学性能。另外，加入少量的CON显著提高了现有商用电解液的电化学性能，预示着这种开创性电解液具有广阔的应用前景。这项工作突出了一种开创性的微观非均相电解液，并提供了其内在多尺度主客体相互作用的综合机制研究。本文以“A microscopically heterogeneous colloid electrolyte of covalent organic nanosheets for ultrahigh-voltage and low-temperature lithium metal batteries”为题在国际顶刊Energy & Environmental Science上，第一作者为Weifeng Zhang，通讯作者为华南理工大学梁振兴和杜丽教授。
文章亮点
（1）分子动力学模拟证实了该微观非均相胶体电解液（TCE）中存在的多尺度主客体相互作用。
（2）CON胶体电解液可以有效地降低脱溶剂化过程的阻抗以及Li+在CEI/SEI内传输的阻抗。
主要内容
图1. 胶体电解液设计策略
图2. Li+溶剂化环境
图3. Li|NMC811电池的电化学性能
图4. NMC811的CEI化学及结构演化
图5. SEI化学与锂金属沉积动力学
结论
该工作设计了一种微观上不均匀的胶体电解液，旨在解决电池在各种操作条件下遇到的挑战。该设计原理的核心是中观-微观多尺度相互作用，即介观CON优化微观Li+溶剂化环境。得益于CON优异的物理化学稳定性，CON胶体电解液可以承受极端的工作环境。
作为概念验证，胶体电解液TCE被证明能够承受高工作电压和低温的典型恶劣条件。通过增加溶剂化鞘中PF6-的比例，从而在阴极和阳极上形成富LiF的界面相。此外，介观TpTta作为分散体，降低了Li+脱溶的能垒，显著提高了Li0负极在低温下的电化学性能。4.7 V Li|NMC811电池在室温下循环100次后的容量保持率为87.1%，4.6 V Li|NMC811电池在-20℃下循环700次后的容量保持率为80.7%。这种具有中微多尺度相互作用的电解液设计原则为开发在各种恶劣环境下运行的锂金属电池或其他碱离子/金属电池的下一代电解液提供了参考。
参考文献
Weifeng Zhang, Guoxing Jiang, Wenwu Zou, Xilong Chen, Siyuan Peng,Shengguang Qi, Renzong Hu, Huiyu Song, Zhiming Cui, Li Du and Zhenxing Liang，A microscopically heterogeneous colloid electrolyte of covalent organic nanosheets for ultrahigh-voltage and low-temperature lithium metal batteries Energy & Environmental Science , 2024.
全文链接：
https://doi.org/10.1039/D3EE04458K
