电解液溶剂越小越能促进石墨快充性能？清华团队新成果为电解液设计带来重要补充

来源：DeepTech深科技

近年来，石墨负极一直是学界广为研究的对象。石墨的嵌锂电位和锂金属的沉积电位很接近，所以锂离子电池在快速充电过程中一旦其内部极化过大，锂金属便会在石墨负极表面析出。

与此同时，锂离子电池所使用的碳酸酯电解液，对于锂金属的稳定性极差。因此锂金属很容易生长成枝晶状，进而刺穿电池隔膜，造成电池内部短路，引发安全事故。在温度较低的情况下，上述问题会更加严重。

此前，优化充电方式、引入加热设备等方法已被用于改善电池的快充和低温性能。但是，这些都只能局部优化电池的低温快充性能，并不能从根源上解决石墨快充中即电解液不适配的问题。

尽管也有很多研究报道过石墨快充的电解液，但是这些探索更侧重于工程。即一般通过尝试多个电解液配方，去发现性能较好的电解液。但是，更好的科学研究应该揭示事物的内在基础规律，给实际应用提供理论性指导。

前不久，针对如何对电池进行更快的充电、尤其在温度较低时进行快速充电的问题，清华大学深圳国际研究生院李宝华教授和团队开展了一项研究。

该工作旨在厘清人们对于石墨负极快充电解液的一些认知盲区。相对来讲，石墨负极的循环条件并没有锂金属负极那么苛刻，所以很多研究认为适配锂金属负极的电解液，能够直接用于提升石墨负极的快充性能。

参与此次研究的香港城市大学博士后刘沅明表示：“从方法上来讲这样没有问题。但是很多研究都会存在一个误区，那就是并没有真正地把石墨快充电解液的核心问题给弄明白。很多研究都忽略了石墨的特殊性——即它一种具备三维层状结构的物质。”

图 | 刘沅明（来源：刘沅明）

研究伊始，他们打算做一些石墨负极快充电解液的工作。当时他们发现，弱溶剂化电解液能够提升石墨负极的快充性能。单从弱溶剂化这一概念来说，溶剂的碳链越长、溶剂化能力就越弱，那么石墨的快充性能也会越好。

但是，他们也在思考另一个问题：即石墨负极的快充性能对离子的运输速率要求很高，那么碳链越长的溶剂也会妨碍石墨负极的快充性能。

这时候就会出现一个矛盾：到底是选择碳链长的溶剂？还是选择碳链短的溶剂？

为厘清这一疑惑，他们选择乙醚、丙醚和丁醚三种溶剂来进行实验，三者之间的官能团都一样，只是碳链的长短不一样。

测试中，课题组发现了一些和已有报道不太相同的现象，基于此他们开展了深入探索，最终促成了本次论文的发表，并带来了一些后续发现。

据了解，本项研究主要在清华大学深圳国际研究生院李宝华教授课题组开展。刘沅明说：“在这里也感谢李宝华教授的指导和支持。同时也感谢翔丰华科技有限公司的白宇院长，他为本次工作提供了石墨负极材料。”

刘沅明继续说道：“研究里的所有实验都由清华大学硕士研究生郭贺新完成，他也是本次论文的第一作者。期间涉及到很多低温和变温的电池测试，必须实验人员守在仪器旁边，以避免设备出问题，这些都由郭贺新完成。担任论文第二作者的田垚博士主要负责量子化学的计算，在大家的齐心协力之下，我们才得以完成本次研究。”

该成果的主要价值在于具备一定的理论性指导意义，也能在一些低温环境下带来实际的应用。但是，由于乙醚的沸点较低，所以距离大规模的常温应用仍有一段距离。

而基于本次工作，相关的后续研究也正在开展中。刘沅明说：“我们发现了更奇妙的现象，并且电池的快充性能也会更好，能够满足 15 分钟充满 80% 电量的要求。虽然目前很难用理论解释这一现象，但是我们仍会不断深入探索下去。”

参考资料：

1.Guo, H., Tian, Y., Liu, Y., Bai, Y., Wu, J., Kang, F., & Li, B. (2022). Inner Lithium Fluoride (LiF)-Rich Solid Electrolyte Interphase Enabled by a Smaller Solvation Sheath for Fast-Charging Lithium Batteries.ACS Applied Materials & Interfaces.