锂金属电池在下一代储能技术的发展中很有前途，但由于锂枝晶的形成和正极开裂，它们的循环寿命仍然很差。常用的醚电解质和碳酸酯电解质在活性锂金属阳极和高压阴极方面分别显示出明显的优势。虽然这些互补特性为高能量锂金属电池带来了希望，但这种协同作用不能仅通过物理混合来实现。
为了解决上述问题，本文构思出来并成功合成一种分子内杂化线性溶剂--碳酸二（2-甲氧基乙基）酯（BMC），它具有相当高的氧化还原稳定性和相对较弱的溶剂化能力。此外，BMC还具备溶解LiNO3的能力、出色的热稳定性和非易燃性。与一般浓度的双氟磺酰亚胺锂（LiFSI）相配合，优化的单溶剂 BMC 型电解质实现了高达 99.4% 的无枝晶锂沉积/剥离平均 CE 值，超过了常规的醚基和碳酸酯基电解质。此外，它还能使 LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 (NCM811) 在 4.4 V 的高压下良好运行。因此，这些优点使锂离子高负载 NCM811（4.8 mAh cm-2）全电池在循环 150 次后仍能保持 92% 的容量。使用基于 BMC 的电解液，即使是要求更高的无负极铜||NCM811 纽扣电池和软包电池，也能达到令人满意的循环性能。更重要的是，锂金属软包电池通过了穿刺测试，热安全温度提高到 155 ℃，有力地证明了 BMC 作为安全溶剂的关键特性。相关成果以“Hybridizing carbonate and ether at molecular scales for high-energy and high-safety lithium metal batteries”为题发表在国际期刊《Nature Communications》上。论文第一作者为复旦大学Jiawei Chen，通讯作者为复旦大学夏永姚和董晓丽教授。
图 1：BMC分子设计的示意图。
图 2：溶剂和电解液的物理化学性质。
图 3：电解液的溶剂化结构及其与电极的电化学行为。
图 4：Li|Cu半电池的电化学性能、原位ECCS观察和SEI的化学组成。
图 5：锂金属全电池的电化学性能和安全评估。
总之，本研究通过分子工程手段，成功设计并合成了一种新型的BMC溶剂，通过分子内杂交醚和碳酸酯基团，实现了对电荷分布的精确调控。BMC基电解液在高电压耐受性和锂沉积/剥离效率方面表现出色，且在实际锂金属电池应用中展现出良好的循环稳定性和安全性。这些研究成果不仅为高能量密度和高安全性锂金属电池电解液的设计提供了新的视角，也为未来商业化锂金属电池的发展奠定了坚实的基础。
Chen, J., Zhang, D., Zhu, L. et al. Hybridizing carbonate and ether at molecular scales for high-energy and high-safety lithium metal batteries. Nat Commun 15, 3217 (2024).
全文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-47448-5
