在具有高鎳正極的高能量密度電池的實(shí)際應(yīng)用中，電解質(zhì)需要能夠防止枝晶生長(zhǎng)、實(shí)現(xiàn)高倍率性能。然而，傳統(tǒng)電解質(zhì)很難滿足這些要求，并且缺乏通用的電解質(zhì)設(shè)計(jì)規(guī)則。

在此，北京大學(xué)周恒輝、北京化工大學(xué)劉文以及清華大學(xué)周明月等人引入了基于拉曼位移和溶劑介電常數(shù)的混合強(qiáng)弱溶劑化溶劑（HSWSS）規(guī)則，以合理設(shè)計(jì)具有寬電化學(xué)窗口（> 4.45 V）、良好的離子電導(dǎo)率（4.28 mS cm^?1）以及枝晶抑制能力的多組分分層溶劑化電解質(zhì)（HSE）。

通過(guò)將強(qiáng)溶劑化共溶劑和適當(dāng)?shù)匿圎}引入弱溶劑化溶劑中，HSE 使 Li||LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂ 電池（1.8 mAh cm^?2，超薄鋰金屬過(guò)量 3 倍）1C倍率下表現(xiàn)出高容量且150 個(gè)循環(huán)后容量保持率為 74.3%，庫(kù)侖效率高達(dá) 99.60%。HSE 還可以使用市售溶劑和鹽簡(jiǎn)單制備，使其對(duì)于大規(guī)模鋰金屬電池制造來(lái)說(shuō)實(shí)用且具有成本效益。

圖1. 對(duì)電池性能

總之，該工作提出了一種基于相對(duì)拉曼位移和溶劑介電常數(shù)的混合強(qiáng)弱溶劑化溶劑（HSWSS）設(shè)計(jì)規(guī)則，以解決弱溶劑化溶劑的固有缺陷。通過(guò)引入適量的高單性氟代碳酸乙烯酯（FEC），以及二甲氧基二甲基硅烷（DMSi）等弱溶劑化溶劑和其他功能組分的合理組合，設(shè)計(jì)的分層溶劑化SiFT電解質(zhì)表現(xiàn)出超過(guò)之前報(bào)道的弱溶劑化電解質(zhì)（WSE）的性能，電壓為 4.45 V，離子電導(dǎo)率增強(qiáng)（4.28 mS cm^?1）。這些優(yōu)點(diǎn)使 SiFT 電解質(zhì)能夠支持具有高鎳層狀氧化物正極的鋰金屬電池 (LMB)。

此外，拉曼光譜、NMR 和 MD 模擬揭示了 SiFT 獨(dú)特的分級(jí)溶劑化結(jié)構(gòu)，其中陰離子和 FEC 分子都參與了 Li 離子的溶劑化結(jié)構(gòu)。溶劑化結(jié)構(gòu)中的FEC允許鋰離子傳輸，確保高離子電導(dǎo)率。因此，考慮到 HSWSS 設(shè)計(jì)規(guī)則對(duì)其他弱溶劑化溶劑的適用性，該工作建立的原理可以作為開(kāi)發(fā)用于高能量密度 LMB 的先進(jìn)電解質(zhì)的指南。

圖2. 全電池性能

Rational Design of Hierarchically-Solvating Electrolytes Enabling Highly Stable Lithium Metal Batteries with High-Nickel Cathodes, Energy Storage Materials 2023 DOI: 10.1016/j.ensm.2023.103043