清华大学刘凯《自然·通讯》：打破经典！新型钝化双电层，实现高性能锂金属电池|正极|电池|电解液|自然·通讯|阳离子

在电池等电化学器件中，传统的双电层（EDL）理论认为，在充电过程中，正极/电解质界面的阳离子会被排斥，留下大量的游离溶剂，这会促进电解液的连续阳极分解，从而导致器件的工作电压和循环寿命有限。因此，如果在电极/电解质界面原位形成高度稳定的EDL（富含Li +的状态，自由溶剂良好配位），它可以在不损失电解液固有特性的情况下将高压正极和体相电解液解耦。不幸的是，众所周知，在充电过程中保持正极/电解质界面处的EDL处于富锂状态与传统的EDL重排理论是不相容的。

鉴于此，清华大学刘凯教授设计了一种具有自适应和钝化特性的新EDL结构。它是通过在电解液中添加功能性阴离子添加剂来实现的，可以选择性地与阳离子和游离溶剂结合，在EDL内层形成独特的富含阳离子和支链状的超分子聚合物结构，并具有高电化学稳定性。由于这种设计，醚基电解液的阳极分解在高压正极中得到了显著抑制，电池表现出优异的性能，例如超快速充放电和超低温应用，这在传统电解液设计中是极其困难的。这种非常规的EDL结构打破了对经典EDL重排机制的固有认知，极大地提高了器件的电化学性能。

文章亮点：

1. 作者提出了一种新的EDL重排机制，通过选择合适的电压刺激响应添加剂在充电过程中将Li +和游离溶剂牢固地结合在EDL内，从而稳定正极/电解质界面的醚溶剂分子，形成了一种特殊的EDL，可以钝化溶剂的连续阳极分解。

2. 经过EDL优化后，基于常规浓度（≤1 M）醚类电解液的锂金属电池表现出创纪录的性能：高截止电压（高达4.5 V vs Li/Li+），在5.0 C超快充放电倍率下具有优异的循环性能、稳定的循环寿命（超过600次循环后容量保持率>90%）和极低的工作温度-91 °C（保持~42%的室温容量）和在-40°C下稳定的充放电循环性能。

3. 这项工作不仅为提高醚基电解液的氧化稳定性提供了一种有效的解决方案，而且为理解EDL在电解液中的作用提供了深刻的见解，并可以极大地扩展电解质体系在下一代高压和超低温电池系统中的应用。