华中科技大学谢佳/北京理工大学朱艳丽："In-N-Out"设计使高含量磷酸三乙酯非可燃电解液兼具高离子电导率和石墨负极兼容性

华中科技大学谢佳教授和北京理工大学朱艳丽教授团队针对已报道的非可燃磷酸三乙酯基电解液难以兼顾高离子电导率和与石墨负极兼容性的难题，提出了"In-N-Out"设计思路，利用与Li⁺存在强相互作用溶剂产生的“阻挡效应”和不与Li⁺配位溶剂所产生的“拉扯效应”实现了高含量磷酸三乙酯基电解液在离子电导率和石墨负极兼容性方面的同步提升。

研究表明，非可燃电解液能够有效阻断电池起火爆炸后因易挥发可燃物扩散引发的风险灾害。其中，磷酸酯基非可燃电解液因具有低成本优势而受到广泛的关注。然而，磷酸酯溶剂与Li⁺间存在的强相互作用容易使磷酸酯溶剂进入Li⁺的第一溶剂化壳层，且由于其还原分解形成的固态电解质界面屏蔽电子能力差，使得高含量磷酸电解液难以兼容石墨负极。已报道策略（如成膜添加剂和高浓/局部高浓度电解液等）所设计的磷酸酯电解液均无法同时兼顾高离子电导率和与石墨负极兼容的特性。

针对当前磷酸酯电解液发展瓶颈，谢佳教授团队提出了一种名为"In-N-Out "的设计思路，并以磷酸三乙酯（TEP）体系为例验证了该理念。实验结果表明：在强配位溶剂的“阻隔”和弱配位溶剂的“拉扯”效应协同作用下，TEP与Li⁺的配位能力被削弱，即使电解液中存在超过60 wt.%的TEP，电解液仍能够兼容石墨负极，电极稳定循环300圈后容量无衰减。同时引入的强配位溶剂碳酸乙烯酯增加了锂盐的解离程度，因此电解液在30℃下的离子电导率高达5.94 mS/cm，为目前所报道的最高值。替换不同的弱配位溶剂后，石墨负极均能够实现可逆的Li⁺插入-脱出反应，证明了该策略的普适性，该研究结果对非可燃电解液的开发具有指导意义。

该研究结果以“"In−N−Out" Design Enabling High-Content Triethyl Phosphate-based Non-flammable and High-conductivity Electrolyte for Lithium-ion Batteries”为题在线发表于SCIENCE CHINA Chemistry。论文第一作者为华中科技大学博士生刘猛闯，通讯作者为华中科技大学谢佳教授、曾子琪博士和北京理工大学朱艳丽教授。

Citation：Liu MC, Ma FF, Ge ZC, Zeng ZQ, Wu Q, Yan H, Wu YK, Lei S, Zhu YL, Cheng SJ, Xie J. "In−N−Out" Design Enabling High-Content Triethyl Phosphate-based Non-flammable and High-conductivity Electrolyte for Lithium-ion Batteries. Sci. China Chem., 2022, DOI: 10.1007/s11426-023-1803-x.

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【通讯作者简介】

谢佳 华中科技大学教授、博士生导师，国家重点基础研究计划（青年973计划）项目首席科学家。2002年于北京大学化学与分子工程学院获学士学位；2008年于斯坦福大学化学系获博士学位；2008-2012年在美国陶氏化学任资深研究员；2012年初回国，担任合肥国轩高科研究院院长，从事动力锂离子电池研发及产业化工作；2015年起担任华中科技大学教授。近年来在动力电池及电池关键材料、储能及新能源汽车领域等方面取得了多项原创性成果。在Science、Nature子刊、Energy & Environmental Science等国际期刊发表论文180余篇，获专利授权81项，其中发明专利51项。

课题组主页http://rest.seee.hust.edu.cn/index.htm

曾子琪 华中科技大学讲师，2013年及2018年分别于武汉大学化学与分子科学学院获理学学士和博士学位。2018年至2021年在华中科技大学谢佳教授课题组从事博士后研究工作，现为华中科技大学电气学院讲师。长期从事电化学储能技术及功能性电解质材料的研究开发工作，重点关注电解液组成、结构与界面之间的构效关系。在Nature Energy、Advanced Energy Materials、Energy & Environmental Science等国际顶级期刊发表论文50余篇，获国家自然科学基金青年基金、中国博士后科学基金面上资助，作为项目核心人员参与了2项国自然联合基金重点项目以及多项横向项目。

朱艳丽 北京理工大学教授、博士生导师。2011年7月作为海外优秀人才回国进入北京理工大学工作至今。承担国家自然科学基金优秀青年、面上、青年等项目4项，国防“973”课题1项，装发“十三五”预研、“十四五”模块等项目5项，承担教育部留学回国基金、国家重点实验室基金、企业合作等项目10余项，以第一/通讯作者发表SCI论文40余篇；申请发明专利20余项，其中授权16项，软件著作权3项，担任《Journal of Energy Storage》、《安全与环境学报》、《含能材料》等期刊青年编委，担任中国有色金属学会和中国金属学会熔盐化学与技术学术委员会委员。

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