一、【导读】
锂离子电池是目前应用最广的储能器件之一。然而，想要获得高能量密度，就需要提升电池电压和容量，这往往带来电解液分解、氧气释放、过渡金属溶解等一系列副反应。特别是在锂锰富集（LMR）正极材料中，Mn 的溶解会导致锂库存损失、界面阻抗上升和容量快速衰减，严重制约了其商业化进程。
传统电解液（如EC基电解液）因溶剂化能力过强，反而加速了Mn、Ni等离子的溶出。如何从电解液分子设计角度抑制溶解，成为突破瓶颈的关键。
二、【成果掠影】
近日，来自阿贡国家实验室、北伊利诺伊大学等机构的Qijia Zhu， Qian Liu, Tao Xu, Zhengcheng Zhang等组成的研究团队在 ACS Energy Letters 发表最新研究成果。作者通过分子层面的电解液设计，提出了一种全氟碳酸酯弱溶剂化电解液（F2：FEC/FEMC体系），首次系统性揭示了电解液溶剂化能力对过渡金属溶解的影响机制。研究表明，该弱溶剂化电解液可显著抑制Mn、Ni的溶解和迁移，减少了石墨负极表面沉积与副反应，从而极大改善了LMR/石墨全电池的循环稳定性与能量保持率。相关研究论文以“Weakly Solvating Electrolyte to Enable Lithium- and Manganese-Rich Cathode-Based Li-Ion Batteries” 为题发表在ACS Energy Letters上。
三、【核心创新点】
1. 分子设计新思路：通过氟取代降低溶剂分子羰基氧上的电荷密度，从根源上削弱溶剂对过渡金属离子的配位能力。
2. 首次揭示溶剂化作用的独立贡献：利用“预成膜实验”区分了界面膜（CEI）和溶剂化效应的作用，明确证实弱溶剂化是抑制过渡金属溶解的关键因素。
3. 显著提升循环性能：在4.4 V高电压下，LMR/石墨全电池实现超过300圈循环后仍保持77%能量保持率，远优于传统Gen2电解液（55%）。
4. 界面副反应显著减轻：F2电解液使石墨负极表面Mn沉积量降低60%以上，同时减少了SEI过厚生长，改善了界面阻抗。
四、【数据概览】
– 分子动力学模拟：F2显著降低了Mn²⁺、Ni²⁺第一溶剂化层中的溶剂占比。（图1，2）
– 预成膜实验揭示弱溶剂化电解液有效减少Mn/Ni溶解与沉积，减缓阻抗上升。（图3）
– 电化学性能：F2电解液实现93.5%的容量保持率（100圈），长期300圈后能量保持77%。（图4）
– 结构表征：STEM和EELS显示F2有效抑制LMR正极表面岩盐相生成及氧损失。（图5）
插图示意
图1：弱溶剂化电解液机理示意图与溶剂化能计算结果。
图2：溶剂化结构
弱溶剂化电解液中Mn²⁺与不同溶剂、PF₆⁻的径向分布函数及配位数对比。
图3：预成膜实验
预成膜实验揭示弱溶剂化电解液有效减少Mn/Ni溶解与沉积，减缓阻抗上升。
图4：循环性能
在4.4 V下，F2电解液显著提升循环稳定性和能量保持率。
图5：STEM表征
STEM与EELS结果显示，F2电解液有效抑制了表面岩盐相生成与氧损失。
五、【成果启示】
该研究首次揭示了“弱溶剂化”对过渡金属溶解的影响机制，突破了长期以来单纯依赖CEI膜解释界面稳定性的局限。对于LMR这类地球丰度高、能量密度高但易溶解的正极材料，该方法为其商业化提供了新思路。同时，这一溶剂化调控策略同样适用于其他高电压正极体系，未来有望推广至钠电池等新兴体系，为绿色能源存储的发展开辟新的路径。
原文详情：Weakly Solvating Electrolyte to Enable Lithium- and Manganese-Rich Cathode-Based Li-Ion Batteries
DOI: 10.1021/acsenergylett.5c02764
本文由材老牛供稿。
