日前，中国科技大学习化学与材料科学学院、合肥微尺度物质科学国家研究中心任晓迪教授团队联合失火科学国家重点实验室王青松教授团队，研究发现借助分子间氢键的相互用途可以显著改变醚基电解液在电极界面的稳定性，并有效抑制锂金属电池热失去控制过程。有关成就以“Molecular anchoring of free solvents for high-voltage and high-safety lithium metal batteries”为题发表在《自然•通讯》上，我校任晓迪教授、王青松教授为通讯作者，合作者包含化学与材料科学学院焦淑红教授，博士生崔壮壮为论文第一作者。

锂金属电池因其超高的能量密度被视为下一代电池技术的有力角逐者，但面临着电解液稳定性和安全性的双重挑战。传统的碳酸酯类电解液虽然在锂离子电池中得到广泛应用，却很难兼容活泼的锂金属负极。相比之下,醚类电解液与锂金属有更好的相容性，但较差的抗氧化能力限制了其在高电压正极中的应用。提升电解液浓度虽然能在一定量上改变醚的电化学稳定性，却带来了本钱增加、低温性能衰减等问题,更为棘手的是很多阴离子的存在会引发热失去控制等安全隐患。

图1.氢键相互用途及分子锚定电解液设计方案

针对上述难点，作者提出一种全新的分子锚定方案,有望同时解决醚基电解液的高压和安全难点。他们在乙二醇二甲醚(DME)中加入含强极性C-H基团的氟代醚溶剂(TTE)，发现DME和TTE之间可以通过氢键形成分子间的“锚定”用途，从而大大降低醚键上氧原子的电子云密度，大幅提升了溶剂的抗氧化能力。

图2.锂金属电池电化学性能、表界面及安全性研究

基于分子锚定定义设计的电解液，展示出优秀的高压性能。在Li+/溶剂摩尔比低至1:9的条件下, 这种电解液即便在4.7V的高压下也无明显的氧化分解。高电压锂金属电池的容量维持率和库仑效率均远超传统的高浓电解液。为了揭示其本质机制，研究职员拓展了系统的表界面剖析。光谱和理论计算的结果一致表明，在高浓电解液中，阴离子和溶剂分子形成配位结构，使电解液的氧化分解倾向大大增加。而在分子锚定电解液中，溶剂分子之间通过氢键形成稳定复合物，有益于提高电解液的热力学稳定性。除此之外，因为降低了活泼阴离子的用法，分子锚定电解液在高电压正极表面诱导形成的界面膜也更薄更稳定。

研究职员进一步考察了电解液的安全性能。在锂金属软包电池中，当温度升高到140C左右，高浓电解液与锂金属剧烈反应并放出很多热量，而分子锚定电解液与锂的相容性得到大幅提高。分子锚定电解液则可以将热失去控制开始的温度推迟到209C以上。这项工作证明，设计适当的分子间相互用途可以从根本上改变电解液的性能，为将来电池电解液的分子工程提供新的方向。

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