化学所郭玉国课题组在锂电池硅基负极研究方面取得新进展

在实现碳达峰和碳中和目标的大背景下，开发高能量密度、长寿命的锂离子电池至关重要。相较于传统石墨负极，具有更高理论比容量的硅基材料被认为是极具前景的锂离子电池负极材料。然而，硅基负极在充放电时存在较大的体积变化，并伴随有材料结构粉化和电极/电解质间的界面副反应，限制了其循环寿命。因此，优化硅基材料的结构并开发与之匹配的电解质，对于进一步提升硅基负极材料的循环性能具有重要意义。

近年来，在科技部、国家自然科学基金委、中国科学院和北京市自然科学基金委的支持下，化学研究所分子纳米结构与纳米技术院重点实验室郭玉国课题组一直致力于硅基负极材料及其适配的电解质材料的开发。在前期的工作中，该课题组在成功开发硅氧（SiOx）负极材料的基础上，提出用镁元素原位掺杂的方法，成功在硅氧颗粒内部构筑了镁硅酸盐惰性网络，有效抑制了电化学循环过程中的纳米硅晶区团聚，实现了微米级硅氧负极的稳定循环（Adv. Mater., 2022, 34, 2200672）；提出了通过锂盐阴离子调控电解液中溶剂-阴离子相互作用的方法，成功拓宽了醚基电解质的电化学稳定窗口，有效提升了高容量硅氧负极及其全电池的循环性能（Angew. Chem. Int. Ed., 2023, 62, e202305988）。

通过调节电解液成分，在硅基负极表面形成具有良好力学性能的固体电解质界面层（SEI），有望于进一步提升硅基负极循环稳定性。然而，目前还缺乏关于硅基负极表面SEI组分与电解液组成之间相互关系的明确理论指导，如何精确控制SEI组分仍然存在挑战。近期，该课题组提出了一种选择性溶解策略，通过控制电解液中的溶剂供体数（DN），实现了对SEI中的低分子量的聚合物和有机锂盐组分的选择性溶解，保留了有较高弹性形变能的氟化锂和聚碳酸酯组分，成功构筑了具有良好弹性性能的高韧性的SEI。电化学测试结果表明这一策略有效提升了纯微米硅负极的循环稳定性。他们通过系统研究具有不同DN值溶剂的电解液中的选择性溶解效应，归纳总结了电解液溶剂DN值与SEI组分之间的构效原理。该研究为未来适用于高容量和大体积变化电极材料的电解液开发提供了重要的指导。

相关研究成果发表于Nature Communications期刊（Nat.Commun., 2023, 14, 7247）。论文第一作者是田一帆博士和博士后谭双杰，通讯作者是郭玉国研究员。

转自：“中国科学院化学研究所”微信公众号

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