南开大学陈军院士，最新JACS！

2024年10月10日，南开大学陈军院士与严振华副研究员团队在《Journal of the American Chemical Society》（JACS）发表研究论文，通过设计氰基烷基磷酸酯电解液的螯合结构，解决了高电压锂金属电池中电解液氧化稳定性差和电极-电解液界面（EEI）过度生长的问题，显著提升了电池循环性能。研究背景与问题商业碳酸酯电解液在高电压锂金属电池中存在两大核心问题：氧化稳定性差：高压条件下电解液易分解，导致电池性能衰减。EEI过度生长：电极与电解液界面副反应加剧，形成不稳定界面层，阻碍锂离子传输。这些问题严重限制了高电压锂金属电池的实际应用。图：高电压锂金属电池面临的挑战（电解液分解与EEI不稳定）研究方法与创新点团队以氰基烷基磷酸酯为模型电解液，通过设计Li?溶剂螯合结构抑制溶剂分解，具体创新如下：螯合结构形成：膦酸二乙酯中的-P═O和-C≡N基团与Li?配位能力相当，形成七元螯合环（如图1）。该结构稳定了溶剂化结构，减少游离溶剂分子，抑制氧化分解。界面稳定性提升：螯合结构促进形成阴离子衍生的无机富集EEI，具有高机械强度和离子导电性，阻止电解液进一步分解。抑制过渡金属（TM）溶解：氰基（-C≡N）与正极中的TM（如Ni、Co）强络合，减少TM溶解，维持正极结构完整性（如图2）。图1：螯合结构电解液（右）形成的Li负极表面更光滑，副产物更少，表明EEI更稳定。图2：螯合结构电解液（右）有效抑制了NCM811正极的TM溶解和颗粒破裂，结构完整性显著优于传统电解液（左）。实验结果与性能验证循环稳定性：使用LiNi?.?Co?.?Mn?.?O?（NCM811）正极的电池在300次循环后容量保持率达90%（传统电解液仅约60%）。高压软包电池性能：4.6 V Li||NCM811软包电池（容量1.4 Ah，能量密度约295 Wh kg?1）在80次循环后容量保持率达70%（如图3）。氧化稳定性：线性扫描伏安法（LSV）测试显示，螯合结构电解液的氧化电位提升至5.5 V vs. Li?/Li，远高于商业碳酸酯电解液（约4.3 V）。图3：螯合结构电解液（红色曲线）在高压下循环稳定性显著优于传统电解液（黑色曲线），容量衰减更慢。研究意义与展望该研究首次揭示了螯合结构对电解液氧化稳定性和EEI形成的关键作用，为高电压锂金属电池电解液设计提供了新思路。未来工作可进一步优化螯合基团种类和溶剂化结构，探索其在固态电池中的应用潜力。论文信息：标题：Uncovering the Crucial Role of Chelating Structures in Cyano-Alkyl-Phosphate Electrolytes for High-Voltage Lithium Metal Batteries期刊：Journal of the American Chemical Society（2024）DOI：10.1021/jacs.4c07739