鋰金屬二次電池是突破500Wh/kg能量密度的下一代電池技術的重要發展方向。相較于傳統鋰離子電池，該電池體系對正、負極材料和電解液等關鍵材料以及電池設計與構建等均提出了新的要求。具有高放電比容量（～300 mAh/g）的富鋰錳基正極材料被認為是實現這一技術目標的理想之選，但其電壓衰減、首次不可逆容量大、循環壽命不佳等問題依然突出。而金屬鋰負極的電化學沉積/溶解行為可逆性差、易于枝晶狀生長、充放電過程中體積變化大以及“死鋰”堆積等問題也亟待解決。對于電解液，則需要同時匹配新型正負極材料的需求，并平衡注液量、粘度和電導率間的關系。此外，鋰金屬二次電池的電芯設計、組裝工藝和測試規程等也無法照搬傳統鋰離子電池工藝體系，需要大量的工藝創新。因此，鋰金屬二次電池技術發展面臨著巨大挑戰。近五年來，中國科學院寧波材料技術與工程研究所劉兆平研究團隊在高能量密度鋰電池關鍵材料及體系構建等方面開展了深入探索，取得了系列進展。

研究團隊圍繞降低富鋰錳基正極材料的首次不可逆容量、循環過程中電壓衰減和氧析出等關鍵科學問題開展研究并取得系列研究結果（Nature Communications, 2016, 7, 12108；ACS Applied Materials & Interfaces, 2017, 9, 3661；Advanced Material Interfaces, 2018, 1701465；ACS Applied Materials & Interfaces, 2019, 14, 14023；Energy Storage Materials, 2019, 16, 220；Cell Reports Physical Sciences, 2020, 1, 100028；Matter, 2021, 4, 1；Energy Storage Materials, 2021, 3, 388）。與此同時，研究團隊著力研發攻關富鋰錳基正極材料工程化技術，創建了寧波富理電池材料科技有限公司推進其產業化，率先形成了富鋰錳基正極材料中試產品供應能力。

同期，研究團隊根據實際電池要求（高可逆面積容量、低N/P比以及低注液量），針對目前存在的金屬鋰負極體積膨脹嚴重、電解液/電極界面不穩定、循環壽命短等共性問題，開展了高容量長壽命金屬鋰負極的創新研究。通過石墨烯與金屬鋰復合重構，實現了金屬鋰在石墨烯上的可控負載與高面積容量下鋰沉積穩定性的大幅提升，同時降低了循環過程中的體積膨脹，并緩解了“死鋰”層引起的傳質受阻（Advanced Energy Materials, 2018, 1703152；Energy Storage Materials, 2018, 15, 226；ACS Applied Materials & Interface, 2018, 10, 20387；Energy Storage Materials, 2019, 21, 107；Energy Storage Materials, 2019, 23, 693.）；還設計構筑了一系列穩定性良好的電解液/電極人造界面層，并深入探究了其作用機制（Nano Energy, 2019, 62: 55-63；Energy Storage Materials, 2019, 23: 418-426；Journal of Materials Chemistry A, 2019, 7, 6267.）。

研究團隊在高安全性及耐高電壓電解液及其在鋰離子/鋰金屬電池中的應用方面也取得了重要研究進展（Electrochimica Acta, 2015, 151, 429；Journal of Power Sources 2015, 278, 190；Journal of Power Sources, 2018, 391, 113-119；Electrochimica Acta, 2019, 320, 134633；Journal of Energy Chemistry, 2020, 48 , 375–382.）。同時，在鋰金屬二次電池電芯設計與制作工藝方面開展技術研發，申請了系列發明專利（CN201922069868.8，CN201911403350.1，CN201911418097.7，CN201911410950.0，CN201911424004.1，CN202010311146.3，CN202010065932.X，CN202010640875.3），初步建立了電池全流程工藝，并制定了鋰金屬二次電池測試與評價規程。

為進一步實現鋰金屬二次電池的長壽命目標，研究團隊通過在常規碳酸酯基電解液（1.0 M LiPF6in EC/DMC with 2 wt.% LiPO2F2）中加入高度氟代醚類溶劑，改變鋰離子溶劑化結構，使得LiPO2F2以固體形式從電解液中析出并覆蓋在正、負極表面，有效增強了電解液/正極界面的高電壓耐受性，并同步提升鋰負極沉積行為的可逆性。結合研究團隊在鋰金屬二次電池關鍵材料及電芯工藝研發基礎，采用富鋰錳基正極材料為正極、鋰金屬為負極，應用該新型電解液體系設計構建了一款容量為3.6Ah、能量密度達430Wh/kg的新型鋰金屬二次電池，并表現出優良的循環穩定性。該最新研究結果近日發表在能源材料領域重要學術期刊ACS Energy Letters（2021, 6, 115-123）。

430Wh/kg鋰金屬二次電池及其電化學性能

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