近些年來，鋰硫二次電池因其較高的理論比容量和能量密度而受到了廣泛的關注。但是，鋰硫電池的發展仍受到許多因素制約。其中，活潑的鋰金屬負極在循環過程中會出現界面副反應、鋰枝晶生長、死鋰的產生等情況，從而引起電池容量快速衰減，并帶來巨大的安全隱患。相比之下，使用具有層狀結構，在鋰離子脫嵌過程中體積變化較小的石墨來代替鋰金屬負極，被認為是一種能有效提升鋰硫電池循環壽命的有效策略。不幸的是，通常適用于石墨電極的碳酸乙烯酯基電解液易與多硫化鋰發生化學反應并不能在鋰硫電池中使用，而對多硫化鋰穩定且溶解性較好的醚類電解液（通常為1M LiTFSI DOL/DME），由于DME溶劑分子會與鋰離子一起共嵌入石墨層間，嚴重破壞了石墨的晶相結構，因此醚類與石墨電極并不兼容。

　　針對以上問題，中國科學院蘇州納米所吳曉東研究員團隊許晶晶項目研究員從分子結構設計角度，通過在醚類溶劑分子中引入較大的烷基和多個F原子（1,2-（1,1,2,2-Tetrafluoroethoxy）ethane，TFEE），來弱化溶劑分子與鋰離子的結合能力，從而抑制了溶劑與Li⁺共嵌入石墨負極的現象，制備得到的一種弱溶劑化電解液（1M LiTFSI DOL/TFEE）應用在高面載、實用化的以石墨為負極的鋰離子-硫（Li-ion S battery，LISB）軟包電池中，實現了電池120圈的穩定循環。 

　　　　圖1. 溶劑分子設計原則。 a）醚類溶劑分子結構設計流程圖；b-d）DME，DEE和TFEE溶劑分子的靜電勢圖；e-g）DME，DEE和TFEE溶劑分別與鋰離子的結合能 

　　　　圖2. 通過理論計算和實驗對Li⁺溶劑化結構分析。a-c）1.0 M LiTFSI-DOL/DME； b，e）1.0 M LiTFSI-DOL/DEE；c，f）1.0 M LiTFSI-DOL/TFEE分別為通過分子動力學模擬獲得的平衡后某一時刻的截圖和徑向分布曲線。g）不同電解液和純LiTFSI鹽的拉曼光譜；h）不同電解液和所包含的溶劑的拉曼光譜 

　　如圖1所示，常規的醚類溶劑DME分子與鋰離子有著較強的結合能力，難以實現鋰離子在電極界面快速的脫溶劑化行為。通過增加DME溶劑分子鏈長和引入F原子，可以提供較大的空間位阻和較強的電負性，從而有效削弱溶劑分子與鋰離子的結合強度。另外，通過分子動力學模擬和拉曼光譜分析，發現TFEE溶劑分子與鋰離子的結合能力弱，有效促進更多的陰離子參與到鋰離子溶劑化結構中（圖2）。 

　　如圖3所示，采用TFEE作為溶劑的弱溶劑化電解液（1 M LiTFSI DOL/TFEE）可以有效實現電解液與石墨負極的良好兼容性。相比于使用DME基電解液的石墨電極在放電之后幾乎沒有充電容量，而使用TFEE基電解液石墨負極可以發揮出357.9 mAh g^-1的充電比容量，且在100圈內穩定循環，其平均庫倫效率高于99%。 

　　　　圖3. 電解液與石墨電池的兼容性評估和使用1 M LiTFSI DOL/TFEE電解液的Gr/Li半電池的循環性能。 使用a）1 M LiTFSI DOL/DME； b）1 M LiTFSI DOL/DEE；c）1 M LiTFSI DOL/TFEE電解液的Gr/Li半電池首圈充放電曲線。d）使用不同電解液的Gr/Li半電池在0-2 V區間以 0.1 mV s^？1測試速率下的CV曲線。使用1 M LiTFSI DOL/TFEE電解液的Gr/Li半電池的e）循環性能和 f）不同圈數下的充放電曲線 

　　　　圖4. 在N/P ≈1.1條件下使用1 M LiTFSI DOL/TFEE電解液的LISB扣式電池和軟包電池性能。a）不同圈數下扣式電池的充放電曲線；b）200圈內扣式電池循環性能；c）LISB軟包電池的結構示意圖； d）使用軟包電池點亮LED燈的照片；e）120圈內軟包電池的循環性能 

　　基于TFEE基電解液對石墨電極穩定，制備了以硫碳為正極，鋰化石墨為負極的LISB扣式電池，采用該類電解液的扣電在0.1 C倍率下發揮出770 mAh g^-1的容量，且穩定循環200圈，容量保持率為82.2%。在成功制備LISB扣式電池基礎上，為進一步探究其實用性，組裝了在嚴苛條件下（硫負載約為2.1 mg cm^-2，石墨負載約為10.5 mg cm^-2，N/P≈1.1）的LISB軟包電池。成功組裝的LISB軟包電池在120圈的穩定循環后仍然有著499.1 mAh g^-1 的比容量和95.9%的高庫倫效率。 

　　該工作通過溶劑分子結構設計抑制醚類溶劑對石墨的共嵌現象，將石墨負極成功地替代鋰金屬作為鋰硫電池的負極，為提升鋰硫電池循環壽命提供了新的思路和指導。相關工作以Long-Life Lithium-Ion Sulfur Pouch Battery Enabled by Regulating Solvent Molecules and Using Lithiated Graphite Anode為題發表在Advanced Science期刊上。論文共同第一作者為中國科學院蘇州納米所碩士研究生黃丹和博士生王志誠，通訊作者為中國科學院蘇州納米所許晶晶項目研究員、葛軍高級工程師和吳曉東研究員。該工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金面上項目等資助，同時感謝蘇州納米所納米真空互聯實驗站（Nano-X）提供的測試幫助。 

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