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研究背景
隨著能源存儲技術的發展，鋰金屬電池（LMBs）因其高能量密度的潛力引起了科學家的廣泛關注。其中，電極/電解質界面在決定二次電池內的物質傳遞和能量轉換反應效率方面起著關鍵作用。特別是對于被認為是實現500 Wh kg-1目標的“圣杯”的鋰金屬電池（LMBs），界面的優化對高能量密度的實現至關重要。然而，鋰金屬負極（LMA）相關的挑戰，如鋰枝晶的形成、低庫侖效率（CE）等問題，成為了研究難題。這些問題的產生主要與界面上的不穩定固態電解質界面（SEI）和鋰離子（Li+）的溶劑化結構密切相關。為了解決這些挑戰，科學家們嘗試通過調節Li+的溶劑化結構來形成富含無機物的SEI，特別是通過接觸離子對（CIPs）和聚集體（AGGs）的形成，來穩定界面，提升電池性能。當前的研究主要集中在電解質的設計上，如鹽中溶劑電解質、弱溶劑化電解質和高熵電解質等，以調控Li+與溶劑和陰離子之間的相互作用。然而，盡管這些策略在一定程度上能夠調節Li+的溶劑化環境并優化界面SEI的形成，界面的電化學性能依然存在顯著差異，特別是在面臨高強度界面電場（>107 V cm-1）時，電場對陽離子和陰離子的作用力不同，導致CIPs和AGGs的分解和界面電解質的消耗。因此，僅依賴體相溶液的溶劑化結構，難以準確預測界面Li+的配位情況。研究表明，溶劑作為介電介質，能夠同時調控陽離子-陰離子相互作用和電場效應，這為界面化學提供了新的理解角度。為了解決這些挑戰，浙江大學范修林團隊在“Nature Energy”期刊上發表了題為“Oscillatory solvation chemistry for a 500 Wh kg?1 Li-metal pouch cell”的最新論文。研究者提出了一個新的介電策略，通過調控界面的介電環境，保持高振蕩幅度的陽離子-陰離子配位結構，從而減輕電解質的分解并降低界面阻抗。這種策略在超低電解質（1 g Ah-1）條件下，實現了500 Wh kg-1能量密度的鋰金屬軟包電池，這一突破性結果證明了介電策略在實際應用中的潛力。 進一步的研究表明，介電特性通過調節帶電電極附近的電場，定義了界面處的Li+配位結構，這種介電介導的溶劑化物轉移動力學為未來電池技術的進步提供了新的研究方向。因此，理解固/液界面上溶劑化結構的演變對于提升鋰金屬電池的庫侖效率和能量密度具有重要意義，為推動能源存儲技術的發展提供了重要的理論依據和實踐指導。
研究亮點
（1）實驗首次揭示了陽離子溶劑化在電極-電解質界面上的行為規律，發現在帶電界面上，陽離子-陰離子對會形成周期性振蕩分布。這一發現填補了當前對陽離子在電極-電解質界面上的行為機制的認識空白。（2）實驗通過研究外部和分子內電場對鋰金屬陽極上Li+溶劑化物的協同效應，展示了介電介導的界面轉移動力學。研究發現，低振蕩幅度會加劇電解質分解并增加表面阻抗，而通過保持高振蕩幅度的陽離子-陰離子配位，可以有效減少電解質的分解和表面阻抗。（3）研究提出了一種介電策略，即通過調整電解質的介電環境來保持界面上陽離子-陰離子對的高振蕩幅度。該策略成功應用于一款能量密度達到500?Wh?kg?1的鋰金屬軟包電池，實現了在超低電解質條件下（1?g?Ah?1）電池的高效運行。
圖文解讀
圖 4: 實時Li+溶劑化與界面化學之間的相關性。
總結展望
本文的研究揭示了陽離子溶劑化在電極-電解質界面上的關鍵作用，尤其是在形成界面相的過程中。盡管陽離子溶劑化在體相溶液中的機制已有深入了解，但界面上的行為仍不明晰。我們發現，在帶電界面上，陽離子-陰離子對以周期性振蕩的形式分布，低振蕩幅度會加劇電解質分解并增加表面阻抗。通過提出一種介電策略，保持界面上陽離子-陰離子配位的高振蕩幅度，我們有效解決了電解質分解的問題，并顯著提升了電池性能。這一策略通過調控介電環境，優化了電池的能量密度和循環穩定性，使我們能夠使用超低量的電解質實現500 Wh kg?1的能量密度。這一研究不僅提供了在固/液界面上的新見解，而且為未來電池技術的發展奠定了理論基礎，特別是在電解質設計和界面優化方面。這些發現將推動電池技術向更高能量密度和更優性能的目標邁進。Zhang, S., Li, R., Deng, T. et al. Oscillatory solvation chemistry for a 500 Wh kg?1 Li-metal pouch cell. Nat Energy (2024). https://doi.org/10.1038/s41560-024-01621-8
