2022年1月13日，斯坦福大學鮑哲南教授、崔屹教授和秦健助理教授（共同通訊作者）等人，在Nature Energy發表題為“Rational solvent molecule tuning for highperformance lithium metal battery electrolytes”的研究論文。

崔屹教授在微信朋友圈評論該工作：“迎接虎年，進入一月以來發的第二篇論文，設計新型電解液，讓高能量密度金屬鋰電池循環更好，比以前的FDMB更上一樓，更加接近現實！” 據悉，課題組近期展開的液態電解液金屬鋰電池等相關研究成果都已申請專利保護。目前課題組正在積極組建團隊，籌備建立創業公司。

果殼硬科技邀請了論文第一作者俞之奡解讀和分享研究團隊的工作，并談一談他對課題組成果產業化前景的看法。

以下為俞之奡撰寫的分享內容。

在“碳達峰”“碳中和”背景下，金屬鋰電池是當之無愧的當紅炸子雞，其技術發展受到了學術界、產業界和創投圈的廣泛關注。然而，鋰金屬負極一直受到鋰枝晶、死鋰等問題的困擾，導致電池壽命無法達到商用要求。一直以來，我們課題組都在尋求解決這個問題的方法，而我個人的目光則主要聚焦于高分子保護涂層和液態電解液，尤其是創造出新的化學分子結構，用以提高金屬鋰電池的性能。

為什么要創造新的溶劑分子？

目前領域內有很多針對液態電解液的工作是基于現有配方進行調整優化；但我一直關注的是，我們是否能用最簡單的分子設計和有機合成，去做一些可能在任何領域都沒人研究過的、連CAS號（化學品目錄ID號，每個被識別的化學品都有一個對應的編號）都沒有的新分子，然后看看這些分子是否能做到現有配方幾乎做不到的事。

圖1展示的是金屬鋰電池溶劑分子邏輯關系圖，落于第一象限的溶劑分子，具有較好的電極穩定性和高的離子傳輸特性，并且離原點越遠越好。

通常來說，高度穩定的金屬鋰電極需要弱溶劑化的溶劑，而這就會導致導離子率的降低，找到二者的“平衡點”并不容易。事實上，2020到2021年間，我們已經積累了一些工作，比如之前開發設計的DEE溶劑分子和FDMB溶劑分子。

DEE（圖1第二象限）和FDMB（圖1第四象限）溶劑分子在不同方向都展現出了不錯的金屬鋰電池性能，但是它們都落在了“非第一象限”，比如DEE的電極性能還有一些小小的瑕疵，而FDMB雖然電極穩定性極高，但也有導離子率低的問題。在做完這一系列工作后，我一直有個夢想：設計合成出能“完勝”之前那些溶劑分子的新分子。

圖1：溶劑分子邏輯關系圖| 俞之奡供圖

在這次科研工作中，我以DEE分子為基體，進一步精細調控了端基的氟化程度（圖1第一象限），得到了一系列性能逐漸遞進升級的氟化DEE溶劑分子，實現了極高的金屬鋰電池循環穩定性和較為理想的離子傳輸特性。其中位于第一象限的F4DEE和F5DEE分子在溶劑分子邏輯圖中遠離原點，各方面的性能是目前所知的最佳溶劑分子，并且F5DEE分子至今還沒有CAS號，系首次合成的新溶劑分子。

實驗發現，這一系列新溶劑被配成常規濃度的、一種鹽和一種溶劑的電解液，不僅實現了目前最高的99.9±0.1%的Li||Cu半電池循環效率，還在貼近現實應用的薄金屬鋰||超高面負載NMC811全電池循環，以及無負極Cu||LFP卷繞式工業軟包電池中，做到了迄今為止最長的電池循環壽命之一。

需要補充說明的是，我們將更充實的實驗數據放在了Supplementary Information以及原始數據Source Data中，根據這些實驗數據， 我們發現電池在各種不同條件下都顯示出高度可循環使用的性能，其可重復性驗證了這種電解液具備的商業潛質。

在電池測試中，我們發現了一個令人震驚的結果。圖2中左邊的Li||Cu半電池是最常用的展現金屬鋰負極循環性的數據，其效率（縱軸數值）越接近100%越好。我們發現，在高壓力扣式電池中經過前100圈的活化，我們配制的電解液的重復數據顯示金屬鋰效率可以到達99.74/99.90±0.10%，這也是目前最高、最穩定的金屬鋰負極效率。

這樣優秀的金屬鋰負極性能給了我很大的信心，所以我當時買了工業級的無負極卷繞式軟包干電池，并將其直接注入我們配制的電解液，進行真實電池的測試。拿來測試的這種電池與現實生活可謂無縫銜接，測試做好后，這些電池在充電之后還供給組內做電子學器件的同學繼續使用。通過電池測試我們發現，在快速循環的條件下，工業級的無負極軟包電池也展現出了高度可重復的、較長的循環壽命（圖2右）。值得一提的是，這個無負極電池的循環壽命是目前基于磷酸鐵鋰正極的無負極電池中最長的。

圖2：本研究中電解液的Li||Cu半電池測試（左）和工業級無負極軟包電池測試結果（右） | 俞之奡供圖

為了證明本研究液態電解液的有效性，我們拆解了長期循環后的無負極軟包電池，取出了負極一側的電極，然后觀測金屬鋰在上面的生長形貌。結果我們不僅沒有看到枝晶或毛刺，反而發現這些長期循環之后電沉積的金屬鋰幾乎和嶄新的、買來的金屬鋰箔一樣，形態極其平整。

圖3：工業級無負極軟包電池在長循環后，負極一側金屬鋰沉積形貌完全沒有任何枝晶痕跡 | 俞之奡供圖

產業化前景如何？

在研究工作中，在設計電解液分子的初期，我們就全方位地考慮到了合成原料的成本、合成提純工藝的復雜性、電池循環壽命、工業化量產型等等問題。這些溶劑可以通過廉價原料和簡易途徑大量合成，在工業化應用的現實條件下，我們全方位地“升級”了電池性能。

除此之外，不同于固態電池，我們研發的液態電解液金屬鋰電池/無負極電池技術和已經發展了幾十年的大規模電池生產線工藝可以無縫對接，節省了很多工程和生產線優化的時間和成本。

在文章發表之前，相關專利都已布局；目前，我們正在積極組建團隊，進行創業公司的籌備，我個人認為，液態電解液技術不一定的最終極的形態，但對于金屬鋰電池的發展一定是最貼近現實的、能最快速產業化的選擇。

其實化學的魅力有時候可能是一些很狡黠的trick。分子上簡單的一兩個原子的微觀調控會導致完全不同的宏觀材料性質，這應該就是化學家的本質——分子工程師。

參考文獻

Yu, Z. et al. Rational solvent molecule tuning for high-performance lithium metal battery electrolytes. Nature Energy (2022).

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本文來自微信公眾號“果殼硬科技”（ID:guokr233），作者：俞之奡，36氪經授權發布。