调控电解质溶剂化结构与离子动力学构建耐高温锂硫电池的双层溶剂化结构电解质

为解决传统电解质在高温下热稳定性不足、副反应加剧导致锂硫电池失效的问题，研究人员通过变温多模态核磁共振技术揭示温度依赖性溶剂化结构演变规律，设计出具有双层溶剂化结构的新型电解质（BSSE）。该电解质通过内层紧密溶剂鞘和外层弱溶剂化协同作用，在60℃下实现90%容量保持率，为极端温度工况下的能源存储提供新策略。

　　

随着军事、航空航天等领域对高温环境下能源存储需求的增长，锂硫（Li-S）电池因其高理论能量密度被视为下一代储能系统的有力竞争者。然而，传统电解质在高温下暴露出致命缺陷：低沸点溶剂（如DOL/DME）易分解，LiNO₃添加剂存在安全隐患，多硫化物（PS）穿梭效应加剧，导致电池性能急剧衰减。这些挑战的核心在于高温下电解质溶剂化结构和离子动力学的失控，但相关机理研究长期缺乏有效工具。

为解决这一难题，阿卜杜拉国王科技大学的研究团队开发了变温多模态核磁共振（VT-mNMR）技术，结合⁷Li/¹⁹F化学位移、扩散系数和弛豫时间分析，首次系统揭示了温度对电解质微观结构的动态影响。研究发现高温会导致锂离子内层溶剂鞘松散化，进而引发低质量固态电解质界面（SEI）的形成；同时多硫化物呈现类大分子加速运动特征。基于此，团队提出"双层溶剂化结构电解质"（BSSE）设计理念：采用三齿配位的二乙二醇二乙醚（DEGDEE）构建紧密内层溶剂鞘，弱溶剂化的全氟醚（OTE）抑制多硫化物迁移。冷冻透射电镜与X射线光电子能谱深度剖析证实，BSSE诱导形成的SEI内层富含无机成分。

主要技术方法
研究通过VT-mNMR技术解析溶剂化结构动态演变，采用冷冻透射电镜（cryo-TEM）和X射线光电子能谱（XPS）深度剖析界面组成，结合电化学测试评估高温性能。电解质设计选用DEGDEE和OTE作为功能溶剂，对比传统电解质（TE）和单层溶剂化电解质（MSSE）进行验证。

研究结果
Principles and functions of VT-mNMR methodology
通过⁷Li NMR证实高温下Li⁺溶剂鞘配位数降低，¹⁹F NMR显示TFSI^–阴离子聚集加速。二维扩散有序谱（DOSY）揭示多硫化物扩散系数随温度升高呈指数增长。

Electrolyte design and characterization
BSSE中DEGDEE通过三齿配位维持Li⁺第一溶剂化鞘的紧凑性（配位数保持4.2），OTE的弱溶剂化特性使多硫化物表观扩散系数降低至传统电解质的1/3。

Electrochemical performance
在60℃下，BSSE组装的Li-S电池循环100次容量保持率达90%，80℃极端温度下仍能稳定运行。高硫载量（4 mg cm^?2）条件下，面积容量衰减率仅为0.08%/次。

结论与意义
该研究建立的VT-mNMR方法为液态电解质研究提供了全新工具箱，首次从溶剂化动力学角度阐明了高温失效机制。BSSE通过"内紧外疏"的双层结构设计，同步解决了SEI稳定性和多硫化物穿梭两大难题。这项工作发表于《Materials Today》，不仅为极端温度锂硫电池发展指明方向，其方法论更可推广至其他金属电池体系，对开发适应恶劣环境的新型储能器件具有重要指导价值。