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研究背景
随着能源存储技术的发展，锂金属电池（LMBs）因其高能量密度的潜力引起了科学家的广泛关注。其中，电极/电解质界面在决定二次电池内的物质传递和能量转换反应效率方面起着关键作用。特别是对于被认为是实现500 Wh kg-1目标的“圣杯”的锂金属电池（LMBs），界面的优化对高能量密度的实现至关重要。然而，锂金属负极（LMA）相关的挑战，如锂枝晶的形成、低库仑效率（CE）等问题，成为了研究难题。这些问题的产生主要与界面上的不稳定固态电解质界面（SEI）和锂离子（Li+）的溶剂化结构密切相关。为了解决这些挑战，科学家们尝试通过调节Li+的溶剂化结构来形成富含无机物的SEI，特别是通过接触离子对（CIPs）和聚集体（AGGs）的形成，来稳定界面，提升电池性能。当前的研究主要集中在电解质的设计上，如盐中溶剂电解质、弱溶剂化电解质和高熵电解质等，以调控Li+与溶剂和阴离子之间的相互作用。然而，尽管这些策略在一定程度上能够调节Li+的溶剂化环境并优化界面SEI的形成，界面的电化学性能依然存在显著差异，特别是在面临高强度界面电场（>107 V cm-1）时，电场对阳离子和阴离子的作用力不同，导致CIPs和AGGs的分解和界面电解质的消耗。因此，仅依赖体相溶液的溶剂化结构，难以准确预测界面Li+的配位情况。研究表明，溶剂作为介电介质，能够同时调控阳离子-阴离子相互作用和电场效应，这为界面化学提供了新的理解角度。为了解决这些挑战，浙江大学范修林团队在“Nature Energy”期刊上发表了题为“Oscillatory solvation chemistry for a 500 Wh kg−1 Li-metal pouch cell”的最新论文。研究者提出了一个新的介电策略，通过调控界面的介电环境，保持高振荡幅度的阳离子-阴离子配位结构，从而减轻电解质的分解并降低界面阻抗。这种策略在超低电解质（1 g Ah-1）条件下，实现了500 Wh kg-1能量密度的锂金属软包电池，这一突破性结果证明了介电策略在实际应用中的潜力。 进一步的研究表明，介电特性通过调节带电电极附近的电场，定义了界面处的Li+配位结构，这种介电介导的溶剂化物转移动力学为未来电池技术的进步提供了新的研究方向。因此，理解固/液界面上溶剂化结构的演变对于提升锂金属电池的库仑效率和能量密度具有重要意义，为推动能源存储技术的发展提供了重要的理论依据和实践指导。
研究亮点
（1）实验首次揭示了阳离子溶剂化在电极-电解质界面上的行为规律，发现在带电界面上，阳离子-阴离子对会形成周期性振荡分布。这一发现填补了当前对阳离子在电极-电解质界面上的行为机制的认识空白。（2）实验通过研究外部和分子内电场对锂金属阳极上Li+溶剂化物的协同效应，展示了介电介导的界面转移动力学。研究发现，低振荡幅度会加剧电解质分解并增加表面阻抗，而通过保持高振荡幅度的阳离子-阴离子配位，可以有效减少电解质的分解和表面阻抗。（3）研究提出了一种介电策略，即通过调整电解质的介电环境来保持界面上阳离子-阴离子对的高振荡幅度。该策略成功应用于一款能量密度达到500 Wh kg−1的锂金属软包电池，实现了在超低电解质条件下（1 g Ah−1）电池的高效运行。
图文解读
图 4: 实时Li+溶剂化与界面化学之间的相关性。
总结展望
本文的研究揭示了阳离子溶剂化在电极-电解质界面上的关键作用，尤其是在形成界面相的过程中。尽管阳离子溶剂化在体相溶液中的机制已有深入了解，但界面上的行为仍不明晰。我们发现，在带电界面上，阳离子-阴离子对以周期性振荡的形式分布，低振荡幅度会加剧电解质分解并增加表面阻抗。通过提出一种介电策略，保持界面上阳离子-阴离子配位的高振荡幅度，我们有效解决了电解质分解的问题，并显著提升了电池性能。这一策略通过调控介电环境，优化了电池的能量密度和循环稳定性，使我们能够使用超低量的电解质实现500 Wh kg−1的能量密度。这一研究不仅提供了在固/液界面上的新见解，而且为未来电池技术的发展奠定了理论基础，特别是在电解质设计和界面优化方面。这些发现将推动电池技术向更高能量密度和更优性能的目标迈进。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
