有望解决锂电池关键问题！斯坦福大学崔屹团队研发悬浊电解液，论文作者亲自解读——

作者|张泽文  来源|果壳硬科技(ID：guokr233)

今日，斯坦福大学崔屹教授课题组开发设计了悬浊电解液，并将这种电解液用于构筑高性能金属锂电池。该研究成果发表在《自然·材料》（Nature Materials）上。果壳编辑团队第一时间联系了研究团队，文章通讯作者崔屹教授告诉果壳：“我们近期开发研究了悬浊电解液，这种设计理念可以实现常用液态电解液的改性提高，也是电解液开发的新思路和新平台。”

以下为论文第一作者张泽文为果壳硬科技撰写的论文解读。

金属锂电池是指利用锂金属作为负极的电池，是最有希望的下一代高能量密度存储设备之一，能够满足新兴行业的严格性能要求。然而，将锂离子电池的石墨负极直接替换成金属锂负极，可能导致循环性能较差，甚至产生安全性问题，而电解液设计则被认为是能够改善这类问题的有效途径。

悬浊电解液好在哪？

传统锂离子电池电解液使用的是纯溶液，在室温混合均匀的状态下不含固体组分。悬浊电解液的区别在于向电解液中添加了纳米颗粒，为什么这样做呢？

传统锂离子电池碳酸酯电解液（左）和对应的添加Li2O纳米颗粒的悬浊电极液（右）| 参考文献[1]

金属锂负极面临的一大重要问题，是在电池充放电过程中锂会形成枝晶沉积。这些枝晶会引发两方面问题，其一是再放电时，电池与负极的连接容易断开，从而失去活性，损失容量；此外也存在一些安全隐患，因为树枝状的晶体容易破坏电池结构，引发电池内短路。所以我们希望沉积出来的金属锂是大块的，这是把金属锂电池推向实用化的重要步骤。

目前电池领域对于如何控制金属锂的沉积还没有完整的认识，是因为电池电极表面存在的一层纳米厚度的钝化膜。这是一种由负极材料和电解液反应自发形成的膜，使得电池能够稳定运行，这层膜的组成、结构与性质又主要由电解液的性质决定，其质量的好坏也很大程度上决定了金属锂电极的性能。

钝化膜的结构组成非常复杂，包含无机和有机的很多种电解液分解产物，氧化锂就是其中一种常见的无机组分。

在这项研究中，我们向电解液中加入了氧化锂纳米颗粒，它不仅通过增加钝化膜中无机物的比例来调控钝化膜的生成，改善钝化膜的性质，还能保持相对更好的分散性，使电解液在悬浊液状态保持更长时间，维持电池的稳定工作状态。在添加Li2O纳米颗粒的悬浊电解液中，金属锂沉积为块状。

传统电解液与悬浊电解液效果对比

金属锂在商用碳酸酯电解液中沉积成枝晶状（左）和在对应添加Li2O纳米颗粒的悬浊电极液中沉积为块状（右） | 参考文献[1]

产业化前景如何？

这种电解液设计思路能够拓宽现有的电解液研究范围，为新型高能量密度电池提供新的电解液解决方案。目前，电解液的设计概念尚处在探索阶段，还需要完善优化各个方面。此外，这项设计和电解液溶剂和溶质设计是独立的，可以应用于新的电解液体系。若要走上产业化道路，如何保证悬浊电解液的稳定性是接下来需要解决的问题。

研究团队

通讯作者

崔屹，斯坦福大学材料系教授， Precourt能源研究院主任，本科毕业于中国科学技术大学，博士毕业于哈佛大学，在加州大学伯克利分校从事博士后研究。主要研究领域为：纳米材料设计、合成和性能研究以及应用在能源存储、太阳能电池、催化、水和空气净化；二维层状材料；拓扑绝缘体；纳米生物学。在斯坦福大学任教以来，崔屹教授培养了160位博士，目前已有超过80位获得了教授职位。《麻省理工科技评论》推出的“35岁以下创新35人”（TR35）榜单，2004年崔屹教授就已入选，其实验室也已走出14位入选者，其中入选全球榜4人、中国榜10人。

（共同）第一作者

Mun Sek Kim，斯坦福大学化学工程系博士生；

张泽文，斯坦福大学材料科学与工程系博士生，本科毕业于清华大学材料学院。

论文信息

发布杂志

 《自然·材料》Nature Materials

发布时间

2022年01月17日

发布标题

Suspension electrolyte with modified Li+ solvation environment for lithium metal batteries

DOI：10.1038/s41563-021-01172-3

https://www.nature.com/articles/s41563-021-01172-3

编者按：本文转载自微信公众号：果壳硬科技(微信公众号：guokr233)，作者：张泽文