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　　近日，北京理工大學前沿交叉學院黃佳琦特別研究員課題組在金屬鋰負極保護方面研究取得新進展，相關研究成果以《Solvation Chemistry of Lithium Nitrate in Carbonate Electrolyte for High‐Voltage Lithium Metal Battery》為題在線發表于化學類頂級國際期刊《Angewandte Chemie International Edition》（《德國應用化學》，影響因子12.10）。該研究通過銅離子的引用突破性地實現了硝酸鋰在酯類電解液體系溶解，發展出了電解液溶劑化結構的調變方法，該電解液提升了金屬鋰電池續航能力。本文的第一作者為北京理工大學前沿交叉科學研究院/材料學院博士研究生閆崇，通訊作者為黃佳琦特別研究員。

　　金屬鋰具有極高的理論比容量（3860mAh/g）和低的電極電勢（?3.08 V vs. SHE）有望在高能量密度電池體系中發展成為石墨負極材料的優良替代品。然而，金屬鋰電極在工作時面臨的問題是金屬鋰枝晶的生成和庫倫效率的波動，更深層次原因是金屬鋰的高活性致使其容易與電解液發生反應，產生不穩定和不可控的固液界面（SEI）。

圖1 不同電解液的光學照片

　　硝酸鋰（LiNO₃）作為鋰硫電池電解液的添加劑，在抑制多硫化物的“穿梭效應”和保護金屬鋰負極上發揮了重要作用。鋰硫電池電解液體系多為醚類體系，而醚類體系因其窄的電化學窗口無法使用到高壓電池中（> 4.3 V），酯類電解液體系能夠承受4.3 V及以上電壓。黃佳琦研究員課題組通過引入微量的氟化銅（0.2wt %），最終實現了1.0 wt%硝酸鋰添加劑的溶解，整個溶液的顏色變化明顯：單獨的硝酸鋰和單獨的氟化銅試劑在酯類電解液中均無法溶解；當兩者共同加入溶液后，沉淀完全消失，并且呈現藍色。該藍色溶液的出現，是因為產生了可溶解的銅離子絡合物（圖1）。

圖2 分子動力學模擬與核磁表征

　　該工作通過核磁技術和分子動力學模擬對電解液的溶解機理和新型溶劑化結構進行了驗證，如圖2所示，藍色電解液中的¹³C的核磁信號相比于常規酯類電解液的核磁信號峰的數目發生了加倍，表面產生了新的陽離子配位中心。從⁶Li的核磁信號位移上看，銅離子的加入使得⁶Li的去屏蔽化變強，這一結果與計算結果相一致。

圖3 磷酸鐵鋰和三元鎳鈷鋁金屬鋰電池電性能及阻抗變化

　　研究者在報道中指認了酯類條件下硝酸鋰的初始分解電位在1.4 V，并發現了其對鋰沉積形貌有明顯影響。含有硝酸鋰的藍色的電解液溶液被用于匹配以磷酸鐵鋰（LFP）和三元鎳鈷鋁（NCA）為正極，以金屬鋰（Li）為負極的電池體系中（圖3）。其中，磷酸鐵鋰電池在0.5C倍率下經過500次循環容量保持率維持在83%；高壓鎳鈷鋁電池在0.5C倍率下經過300次循環容量保持率在53%，均呈現出良好的電化學穩定性，新電解液體系下兩種類型電池的阻抗未發生明顯增大。

　　該研究工作主要探索了首次將硝酸鋰作為添加劑溶解在酯類電解液體系中，并探究了其電化學特征，為硝酸鋰用于高壓電解液領域開創了新的研究分支和研究思路。該工作得到了審稿人的高度評價，認為其在電解液調變構筑穩定電極界面實現高壓金屬鋰電池領域做出了新的探索。

附作者簡介：

　　黃佳琦特別研究員2012年博士畢業于清華大學化學工程系，2016年9月入職北理工前沿交叉科學研究院并組建課題組開展研究工作，在國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京理工大學科技創新計劃的資助下，主要開展能源存儲材料研究。黃佳琦特別研究員以第一作者/通訊作者身份，在Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Angewandte Chemie International Edition, Energy Storage Materials, Science Bulletin等期刊發表一系列研究工作。其發表論文的總引用8000余次，h因子為54，其中30余篇為ESI高被引論文。

　　黃佳琦擔任中國顆粒學會青年理事會理事，Journal of Energy Chemistry《能源化學》及Chinese Chemical Letters《中國化學快報》青年編委，任Advanced Functional Materials《先進功能材料》鋰硫電池專刊，Journal of Energy Chemistry 《能源化學》下一代電池專刊客座編輯。入選首屆中國科協青年人才托舉計劃，獲評中國化工學會侯德榜化工科技青年獎，中國顆粒學會青年顆粒學獎等。

　　論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201807034