由于全固态锂金属电池(ASSLMBs)固有的安全性和超越传统液态电解质系统能量密度极限的潜力,其发展势头前所未有[[1], [2], [3], [4], [5]]。然而,ASSLMBs的实际应用受到锂金属阳极与固态电解质之间界面不稳定性的阻碍,特别是锂枝晶的不受控制生长和严重的副反应[[6], [7], [8], [9]]。为了解决这些问题,人们投入了大量努力来合理设计和构建稳定的固体电解质界面(SEI),从而显著优化锂的沉积/剥离行为,进而提高电池性能[[10], [11], [12]]。
在基于聚合物的固体电解质中调节锂盐的分解已成为构建富含LiF等有益无机成分的稳定SEI的关键方法[[13], [14], [15], [16]]。这一原理推动了锂盐化学的进步[17],强调精确选择盐类和调节电子结构以优化阴离子分解动力学。迄今为止,许多锂盐(如锂双(氟磺酰)亚胺(LiFSI)、锂双(三氟甲磺酰)亚胺(LiTFSI)和锂(苯磺酰)(三氟甲磺酰)亚胺(LiBTFSI)已被用于在基于聚合物的ASSLMBs中创建富含无机物的SEI层[18,19]。最近,我们的团队还开发了几种将各种填料引入基于聚合物的固体电解质的策略,旨在创建富含无机物的SEI层[13,20]。然而,调节阴离子电子结构的策略仍局限于在填料中设计强极性基团[21,22]。虽然通过非共价相互作用(如氢键)修饰配体为微调阴离子配位化学和电子构型提供了有希望的替代方法[23,24],但仍存在关键挑战,包括缺乏系统的配体筛选方法和对其潜在机制的 insufficient 理解。
分子对接是一种强大的计算工具,用于研究分子间相互作用、预测结合模式和估计分子间的结合能[[25], [26], [27], [28]]。它已成功应用于药物发现、蛋白质结构预测和材料开发,取代了依赖经验筛选或化学直觉的传统方法[[29], [30], [31]]。在此,我们采用分子对接作为战略框架,筛选能够调节TFSI?配位化学的功能性配体(图1)。选择二硫醇作为模型配体,因为它们的双–SH基团能够同时与单个TFSI?中的两个亲电S=O基团配位。这种方法利用了配体与TFSI?之间的分子间作用力随分子对接结合能降低而增强的原理,从而破坏TFSI?的电子结构,促进其分解。从试错实验到预测建模的这种范式转变使得配体能够被精确识别。通过系统评估不同碳链长度的二硫醇(HS-(CH2)n-SH,n = 2, 4, 6, 8, 10),我们确定1,2-乙二硫醇(C2)是最佳候选者,因为它具有最佳的空间互补性(最低的H键长度:2.18 ?)和极低的结合能(?0.79 eV)与TFSI?(图1),这与提高的阴离子分解效率相关。实验表征证实,C2修饰的固体聚合物电解质(SPEs)在SEI中的LiF含量显著增加,同时锂沉积形态也更加均匀。所得到的Li||LiFePO4全电池在1 C电流下经过580次循环后仍保持99.2%的容量保持率,优于长链二硫醇电池和大多数先前报道的电解质。