北京大学「国家高层次人才」庞全全/湖南科大汪靖伦Angew | 腈类电解质分子设计实现准固态硫反应的锂化硅-硫电池!
- 2026-01-31 08:43:26
锂-硫（Li-S）电池的发展受到多硫化物溶解、穿梭以及锂金属负极固有不稳定性的阻碍，具体表现为：在循环过程中，正极生成的多硫化物中间体易溶于电解液，引发“穿梭效应”，导致活性物质流失和库仑效率降低；同时，锂负极表面易形成不均匀的锂沉积与不稳定的固态电解质界面（SEI），造成枝晶生长、体积膨胀及界面副反应加剧。
在此，北京大学庞全全，湖南科技大学汪靖伦等人通过分子工程方法设计了一种高溶剂化腈类电解质，并将其调控为弱溶剂化体系，从根本上解耦了两个电极的反应并消除了它们之间的相互作用。
具体而言，通过对乙氧基-腈基础溶剂进行可控氟化，调控了溶剂上的电荷分布，从而抑制了对多硫化物的溶剂化，促进了准固态硫反应（QSSSR）机制。增强的阴离子参与Li⁺溶剂化，连同氟代碳酸乙烯酯添加剂，进一步稳定了硫正极和锂化硅负极的界面，缓解了机械降解。基于QSSSR的锂化硅-硫电池在0.1C下展现出1499.0 mAh g⁻¹的高比容量，并在0.2C下循环100次后保持了90.2%的容量，平均库仑效率高达99.9%。
图1. 机制研究
总之，该工作提出了一种分子工程方法，通过合理设计氟化腈类电解质来开发高性能锂化硅-硫电池。通过精确调控分子结构，极性腈基团与非极性氢氟醚片段得以整合。引入吸电子氟原子降低了腈基团的电子密度，从而增强了Li⁺-阴离子配位。F₅EON/TTE电解质通过抑制多硫化物溶解促进了QSSSR机制。
氟代碳酸乙烯酯通过亲核反应与多硫化物形成正极电解质界面（CEI），并将其包封，同时稳定了锂化硅负极的固体电解质界面（SEI），从而减轻了穿梭效应和硅负极的体积膨胀。优化后的F₅EON/TTE-FEC电解质提供了稳定的电化学性能，在0.2C下循环100次后保持了90.2%的初始容量，平均库仑效率高达99.9%。这些发现为高能量锂化硅-硫电池的实际应用提供了重要的电解质设计思路。
图2. 电池性能
Molecular Design of Nitrile Electrolytes Enabling Lithiated Silicon–Sulfur Batteries with Quasi-Solid-State Sulfur Reaction, Angewandte Chemie International Edition 2025 DOI: 10.1002/anie.202518760
汪靖伦，博士，研究员、博士生导师。2010在南开大学元素有机化学国家重点实验室获博士学位；2010-2018年在中国科学院广州能源研究所有机能源材料团队任职研究助理/副主任。现为湖南科技大学理论有机化学与功能分子教育部重点实验室专职科研人员，研究方向为电化学储能材料与器件、高性能锂离子电池有机和高分子功能材料的设计与合成。在J Power Sources, Electrochim Acta, Green Chem等国际刊物共发表SCI论文30余篇。
庞全全 北京大学材料科学与工程学院 特聘研究员 博士生导师 近几年在全固态电池、熔融盐电池、锂硫电池、多价离子电池等低成本电化学储能体系领域取得突出成果，在Nature、Nature Energy，Joule, Matter, PNAS, Nature Commun., Adv. Mater., Angew. Chem.，ACS Cent. Sci. 等期刊发表30余篇论文，总引用超过12000次, h-index27，并与多家公司积极探索产业化研究。
