陶新永/刘育京课题组综述——不可忽视的分子间相互作用增强的电化学性质：锂离子电池中的氢键

锂离子电池（LIBs）因其优异的综合性能在新能源行业中占据重要地位。为了提升LIBs的综合性能指标，其关键材料的分子微观结构设计和理解至关重要。特别是，相对于“强”化学键，分子间“弱”的相互作用，对于LIBs组件的结构和性质的影响同样显著，但相关研究不甚深入。作为分子间相互作用的典型代表——氢键，其在LIBs中的存在可大幅提高组件的机械强度、锂离子（Li⁺）的输运速率和电池材料的热力学稳定性，从而提升LIBs的性能。

近日，浙江工业大学陶新永教授与刘育京教授课题组在SCIENCE CHINA Chemistry杂志上发表了题为“Considerable molecular interactions enable robust electrochemical properties: Hydrogen bonds in lithium-ion batteries”的综述文章，详细介绍了近年来氢键在LIBs中的设计构建和最新进展。

本文从分子间的相互作用力开始，特别总结了氢键的形成与LIBs中典型组件（正极、负极、电解质、隔膜）的性质之间的关系。比如，氢键的存在，提高了正负极粘结剂的黏附强度，增强了液态电解液和隔膜中离子传输速率，提升了固态电解质的机械强度等等。此外，还讨论了氢键的形成如何影响LIBs组分的性能。最后，展望了未来氢键与LIBs组件的结合策略，为高性能LIBs的合理设计提供了指导。不过，氢键在LIBs中的设计构建也存在很多不足：（1）氢键在不同化学环境的电解质中，特别是在电化学循环下如何演变还需要进一步探究。（2）氢键的表征通常是通过红外和拉曼光谱来实现的，这并不是很直观。特别是，精确证明氢键的分布和定量是必要的。因此，在后续的工作中，应该发展直观和定量的表征技术来精准测量氢键。（3）由于氢和锂具有非常相似的元素电子结构，氢键表现出的性质可能表明锂在LIBs中分布和输运的新机制。考虑到“锂键”的新兴概念，由氢键启发的类比研究将有助于对LIBs中锂的电化学行为的深刻理解。

氢键在LIBs关键组件中增强电池性能的机制和效果

详见：Dan Duan, Xiaohan Cai, Cong Ma, Zongxi Lin, Yao Wang, Jianwei Nai, Tiefeng Liu, Jianmin Luo, Yujing Liu*, Xinyong Tao*. Considerable molecular interactions enable robust electrochemical properties: hydrogen bonds in lithium-ion batteries. Sci. China Chem. 2023, https://doi.org/10.1007/s11426-023-1559-9.

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【作者简介】

陶新永：教授，博士生导师。博士毕业于浙江大学，先后加入美国南卡大学、斯坦福大学从事博士后、访问学者研究。现任浙江工业大学科学技术研究院副院长（主持工作）。主要从事新型储能材料基础理论及应用研究。

刘育京：浙江工业大学材料科学与工程学院健行特聘教授，教授，博士生导师。本科毕业于浙江大学竺可桢荣誉学院，浙江大学高分子材料博士学位。主要研究方向为高比能二次电池功能复合界面的纳米尺度结构演变规律与调控机制。

段丹：本科就读于赣南师范大学，在浙江工业大学攻读硕士学位，指导老师为科学与工程学院陶新永教授和刘育京教授。研究课题为粘结剂和固态电解质在锂电池中的设计和应用。

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