清華新聞網(wǎng)1月28日電 近日，清華大學(xué)化工系張強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)合作在高比能鋰硫電池陰離子溶劑化學(xué)研究中取得新進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)及合作者突破了以往研究中對(duì)鋰鹽陰離子功能的傳統(tǒng)認(rèn)知，揭示了陰離子與弱溶劑的競(jìng)爭(zhēng)配位作用，通過(guò)增強(qiáng)陰離子對(duì)關(guān)鍵中間體多硫化鋰的配位，強(qiáng)化了鋰硫電池正極側(cè)的電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了高比能長(zhǎng)循環(huán)的鋰硫電池器件。
面向無(wú)人飛行器、平流層飛艇等前沿應(yīng)用的長(zhǎng)續(xù)航需求，開(kāi)發(fā)具有高能量密度的電池體系至關(guān)重要。鋰硫電池的理論能量密度高達(dá)2600 Wh kg-1，是商用鋰離子電池的八倍以上，被視為理想的下一代電池體系。然而，目前鋰硫電池的實(shí)際能量密度往往低于500 Wh kg-1，限制了其在實(shí)際場(chǎng)景中的應(yīng)用。上述瓶頸問(wèn)題的出現(xiàn)源于對(duì)鋰硫電池的溶劑化學(xué)認(rèn)知模糊。具體而言，鋰硫電池體系高度復(fù)雜，電解液中既含有溶劑、鋰鹽等必要組分，也含有大量多硫化鋰分子作為關(guān)鍵中間體，溶劑、鋰鹽和關(guān)鍵中間體之間的相互作用規(guī)律仍不明晰。
陰離子競(jìng)爭(zhēng)性配位示意圖與本工作和領(lǐng)域內(nèi)鋰硫電池的性能對(duì)比
研究團(tuán)隊(duì)基于弱溶劑化電解液體系，對(duì)強(qiáng)溶劑、弱溶劑、鋰鹽陰離子和多硫化鋰分子之間的相互作用開(kāi)展系統(tǒng)研究。通過(guò)譜學(xué)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算模擬指認(rèn)了鋰鹽陰離子和弱溶劑對(duì)多硫化鋰的配位能力相近、在實(shí)際電解液中二者存在配位競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。弱溶劑的直接配位會(huì)導(dǎo)致多硫化鋰的電荷轉(zhuǎn)移能力下降，進(jìn)而使得電化學(xué)極化增大、電池因正極問(wèn)題快速失效?；谏鲜隼斫?，研究團(tuán)隊(duì)調(diào)控鋰鹽陰離子的配位能力增強(qiáng)，從而減少弱溶劑對(duì)多硫化鋰的直接配位。經(jīng)過(guò)調(diào)制的鋰鍵相互作用提升了多硫化鋰的電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)速率，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了實(shí)際能量密度高達(dá)622 Wh kg-1的鋰硫電池器件。該研究解耦了鋰硫電池中復(fù)雜的溶劑化學(xué)機(jī)制，指認(rèn)了陰離子的競(jìng)爭(zhēng)配位作用與反應(yīng)調(diào)控原理，展示了溶劑化學(xué)在高比能鋰硫電池中的巨大潛力。
研究成果以“競(jìng)爭(zhēng)性陰離子配位克服鋰硫電池中的電荷轉(zhuǎn)移能壘”（Competitive anion coordination overcomes charge-transfer barriers for lithium?sulfur batteries）為題，于1月23日發(fā)表于《焦耳》（Joule）。清華大學(xué)化工系教授張強(qiáng)與北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)院教授李博權(quán)為論文通訊作者。清華大學(xué)化工系2021級(jí)博士生李西堯?yàn)檎撐牡谝蛔髡摺Ｕ撐墓餐髡甙ū本├砉ご髮W(xué)前沿交叉科學(xué)院2023級(jí)碩士生金天、泰山學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院副教授馮帥、清華大學(xué)化工系2022級(jí)博士生高宇辰等。
張強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)在鋰電池溶劑化學(xué)領(lǐng)域長(zhǎng)期探索，原創(chuàng)性地提出了電池中的鋰鍵概念，為高性能電池的設(shè)計(jì)提供了重要理論支撐。近期，團(tuán)隊(duì)定量辨析了鋰鍵的化學(xué)特征，發(fā)現(xiàn)鋰鍵由局域電子效應(yīng)主導(dǎo)而鋰離子鍵由靜電作用主導(dǎo)，由此揭示了鋰鍵的化學(xué)本質(zhì)（Chem2025,11,102254）。團(tuán)隊(duì)結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)方法，對(duì)鋰鍵的形成條件和普適性規(guī)律進(jìn)行了探索和預(yù)測(cè)，深化了鋰鍵化學(xué)的研究?jī)?nèi)涵（Angew.Chem.Int.Ed. 2026,65,e17523）。團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步在高濃電解液中指認(rèn)了鋰鍵的物理化學(xué)屬性，提出了鋰鍵構(gòu)筑的緩沖層有助于穩(wěn)定大尺寸溶劑化結(jié)構(gòu)，拓寬了鋰鍵化學(xué)的應(yīng)用區(qū)間（ACS Energy Lett.2026,10.1021/acsenergylett.5c03804）。
相關(guān)研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金的支持。
論文鏈接：
https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(25)004404
https://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(24)00359-0
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202517523
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.5c03804
供稿：化工系
編輯：劉芳芳
審核：郭玲
