分子对接驱动的阴离子配位技术,实现了超稳定全固态锂金属电池的SEI(Solid Electrolyte Interphase)工程

《Journal of Endometriosis and Uterine Disorders》:Molecular docking-driven anion coordination enabling SEI engineering for ultrastable all-solid-state lithium metal batteries

【字体: 时间:2025年07月17日 来源:Journal of Endometriosis and Uterine Disorders

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  构建稳定固态电解质界面层需要精准调控锂盐分解动力学,本研究通过分子对接筛选出短链二硫醇(如1,2-乙二硫醇C2),其与TFSI?形成强氢键和最优空间匹配,促进TFSI?分解并富集LiF,使Li||LiFePO4电池在1C倍率下循环580次容量保持率高达99.2%。

  

摘要

调节锂(Li)盐的分解以构建稳定的固体电解质界面(SEI)是减轻锂枝晶形成并充分发挥基于聚合物的全固态锂金属电池潜力的关键策略。然而,这种方法需要精确操控锂盐阴离子的配位化学和分解动力学,这在该领域仍是一个巨大的挑战。在此,我们提出了一种基于分子对接的设计框架,该框架将配体的分子拓扑结构与聚环氧乙烷(PEO)基固体聚合物电解质中双(三氟甲磺酰)亚胺(TFSI?)阴离子的配位化学联系起来。理论计算和实验研究表明,与长链类似物相比,短链二硫醇(例如1,2-乙二硫醇,C2)与TFSI?具有最佳的空间互补性和更强的分子对接效率。分子间氢键作用将电子密度重新分配到TFSI?上,促进其分解并增加SEI中的LiF含量,从而有效抑制锂枝晶的生长。因此,使用PEO-LiTFSI-C2电解质的Li||LiFePO4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,超过了长链二硫醇系统和大多数先前报道的电解质。这项工作为阴离子配位介导的SEI形成过程提供了机制上的见解。此外,分子对接预计将在理解和研究全固态锂金属电池的界面化学中发挥重要作用。

引言

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。

材料

LiTFSI、聚环氧乙烷(PEO,Mw = 600,000 g mol?1)、硫醇分子和无水乙腈均从Macklin公司购买。所有试剂均按原样使用,无需进一步纯化。

固体电解质的制备

PEO基固体电解质在充满氩气的手套箱中制备和干燥(H2O < 0.01 ppm, O2 < 0.01 ppm)。在这些电解质中,EO:Li的摩尔比固定为15:1,而硫醇分子的质量分数从0%变化到10%。在电解质制备之前,PEO...

二硫醇与TFSI?之间的分子对接

在本研究中,战略性地使用分子对接来筛选TFSI?的配体,旨在调节其配位化学和电子构型,以加速其分解(图1)。选择二硫醇作为模型系统,因为它们的双–SH基团(图S1–S9)在结构上能够同时与单个TFSI?中的两个亲电S=O基团配位。这种机制优势得到了显著更高的绝对结合能的证实...

结论

本研究表明,基于分子对接设计的短链二硫醇配体(例如1,2-乙二硫醇,C2)能够精确调节TFSI?的配位和分解动力学,从而构建出富含LiF的稳定SEI,用于高性能的全固态锂金属电池。理论和实验分析表明,C2与TFSI?之间的最佳空间互补性和强氢键相互作用促进了电荷的重新分配,加速了TFSI...

CRediT作者贡献声明

邹世辉:撰写 – 审稿与编辑,撰写 – 原稿,可视化,数据分析,概念化。邓晓翔:撰写 – 原稿,可视化,数据分析。任翔:撰写 – 原稿,方法学,数据分析。史鹏:验证,数据分析,概念化。李梦阳:验证,数据分析。岳俊鑫:验证,数据分析。岳凯:验证,数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢中国国家自然科学基金(项目编号52225208、52171225、U21A20174、52222317)、玉林清洁能源创新研究院的能源革命科技计划(项目编号E411010316)、浙江省的“先锋”和“领头雁”研发计划(项目编号2025C01157、2025C01182)以及浙江省自然科学基金(项目编号LZ24E020006)的财政支持。
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