对称分子设计：破解锂金属电池稳定性难题的新范式

为解决锂金属电池(LMBs)中锂枝晶生长、电解质分解及热失控等关键问题，Ding H.和Li X.*团队创新性提出对称分子设计策略，通过调控Pyr2(2)FSI等对称有机盐的几何结构与电子分布，构建了富含LiF/Li3N的无机SEI层，实现离子电导率5.16×10-11 m2 s-1和超低活化能(4.92 kJ mol-1)。该研究为高能量密度(>500 Wh kg-1)安全电池开发提供新思路。

　　

锂金属电池(LMBs)被誉为储能领域的"圣杯"，其理论能量密度可达传统锂离子电池的10倍。然而，如同希腊神话中阿喀琉斯的致命脚踝，锂枝晶生长和电解质分解等问题始终阻碍其商业化进程。回溯历史，20世纪80年代锂金属负极曾因安全隐患被石墨取代；如今，在电动汽车和航空航天对高能量密度需求的推动下，锂金属负极迎来复兴。但挑战依然严峻：脆弱的固态电解质界面(SEI)导致电解液持续消耗，枝晶穿透隔膜引发短路，而传统碳酸酯电解质的易燃性更埋下热失控隐患。

为突破这些瓶颈，郑州大学和香港城市大学联合团队在《The Innovation》发表创新研究，提出"对称分子设计"新范式。研究团队采用多学科交叉方法：通过密度泛函理论(DFT)计算筛选对称分子Pyr2(2)FSI（结合能-0.65 eV）；借助冷冻透射电镜(cryo-TEM)解析SEI纳米结构；结合核磁共振(NMR)和拉曼光谱分析Li⁺溶剂化结构；采用Vogel-Tammann-Fulcher(VTF)模型计算离子传输活化能；并建立机器学习预测框架优化分子设计。

分子对称性与离子传输

研究发现对称分子Pyr2(2)⁺通过紧密堆积形成稳定离子对，使电解液粘度接近DME（二乙二醇二甲醚），在1.5 M高浓度下仍保持流动性。相较于不对称电解质E-Pyr1(3)FSI，对称设计的E-Pyr2(2)FSI中Li⁺扩散系数提升36%，活化能降低16.7%。

界面工程与SEI调控

对称分子在电极表面形成致密静止层，引导FSI^-均匀分布，产生富含LiF/Li₃N/Li₂O的SEI。TOF-SIMS深度剖析显示，对称体系SEI中无机成分占比达78%，比传统体系提高2倍以上。

安全性能突破

对称分子设计的非燃特性将热失控起始温度提升至187°C，在4.5V高电压下仍保持稳定，组装的Li||NCM811电池在500次循环后容量保持率达91.3%。

这项研究开创性地证明：分子对称性可同时优化离子传输、界面稳定和热安全三重特性。通过引入"对称参数S=Σ|θ-180°|"量化分子设计，为电解质开发建立新标准。展望未来，结合机器学习的高通量筛选和强化学习多目标优化，将加速发现适用于锂硫(理论能量密度2,600 Wh kg^-1)等新型体系的对称分子，推动储能技术进入新纪元。