深圳先进院唐永炳/欧学武&绍兴大学窦卫东&重庆理工大学周志明最新AM丨溴化电解液实现高安全双离子电池!

双离子电池(DIBs)因其高工作电压(>4.2 V)、环境友好和高功率密度等优势成为极具吸引力的储能技术。

与传统锂离子电池"摇椅式"机制不同，DIBs在充放电过程中同时发生阴离子在正极和阳离子在负极的嵌入/脱出反应，这种独特机制对电解液提出了更严苛的要求：需要更宽的电化学窗口、更高的盐浓度和高效的离子传导率。

然而，现有电解液体系面临关键挑战：离子液体虽具有宽电化学窗口和阻燃性，但粘度高、成本昂贵；磷酸酯类溶剂虽阻燃且氧化电位高，但难以形成稳定的固体电解质界面膜(SEI)，过量添加会引发严重副反应；

氟化溶剂虽能降低HOMO能级并促进LiF-rich SEI形成，但C-F键能过高(445.0 kJ/mol)导致阻燃效果有限。因此，开发兼具高电压稳定性和优异阻燃性能的电解液仍是该领域的重大挑战。

该研究创新性地提出溴化电解液设计策略，利用溴原子的吸电子效应降低HOMO能级，同时利用C-Br键断裂产生Br自由基实现高效阻燃，为高压高安全双离子电池提供了新思路。

近日，中国科学院深圳先进技术研究院唐永炳、欧学武、绍兴大学窦卫东、重庆理工大学周志明在Advanced Materials发表了题为"Solvation Regulation of Flame-Retardant Bromine-Based Electrolyte Enables Stable Cycling Dual-Ion Battery"的研究论文。

1. 首次提出溴化电解液设计策略，兼顾高电压稳定性与阻燃安全性，溴代乙酸乙酯(Br-EA)基电解液实现完全阻燃(SET=0 s g⁻¹)。 2. 相比氟化/氯化体系，溴基电解液因C-Br键能较低(276.0 kJ/mol)可断裂产生Br自由基，有效清除H自由基终止燃烧链反应。 3. 构建LiF/LiBr富集界面层，有效抑制铝集流体腐蚀和电解液分解，形成均匀且机械强度高的CEI层(杨氏模量2.90 GPa)。 4. 双石墨电池在2C倍率下循环1000次容量保持85.6%，Li金属-石墨电池保持94.7%，软包电池500次循环保持79.8%且通过切割点燃测试。 5. 通过溶剂化结构调控，降低阴离子嵌入势垒(4.41 V vs 4.46 V)，提升倍率性能至12C(1200 mA g⁻¹)下仍保持80.3 mAh g⁻¹。

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双离子电池(DIBs)因其成本效益高、工作电压高和功率密度大等独特优势，已成为极具吸引力的电化学储能技术。然而，传统电解液面临氧化稳定性不足和易燃性严重的关键挑战。

结果表明，基于溴代乙酸乙酯(Br-EA)的电解液同时实现了高压下电解液分解的有效抑制、通过形成LiF/LiBr富集界面增强的电解液/电极兼容性，以及对铝集流体的抗腐蚀能力。此外，与氟基和氯基电解液相比，溴基电解液表现出更优异的阻燃性能。

采用开发的6.0 m LiFSI Br-EA:DMC(1:1, v/v)电解液，双石墨电池在1000次循环后保持85.6%的容量保持率，为已报道的最佳结果之一；

采用该电解液的软包电池在500次循环后保持79.8%的初始放电容量，验证了其实用可行性。该研究工作确立了溴化设计作为高压高安全电池系统的突破性范式。

📊 图文解读

图1 | 溴代乙酸乙酯(Br-EA)与乙酸乙酯(EA)的分子特性对比及阻燃性能评估

DFT计算显示Br-EA相比EA具有更低的HOMO能级(-7.93 eV vs -7.69 eV)和更高的闪点(71°C vs -3°C)；LSV测试证实Br-EA基电解液具有更高的氧化稳定性；

阻燃测试表明Br-EA实现完全不可燃(SET=0 s g⁻¹)，显著优于EA、F-EA和Cl-EA；Li金属浸泡实验显示Br-EA与锂金属具有更好的兼容性，4天后表面仍保持完整无黑斑。

图2 | Li金属-石墨双离子电池在不同电解液中的电化学性能对比

6.0 m LiFSI Br-EA:DMC电解液在Li金属-石墨DIB中首周放电容量达100.1 mAh g⁻¹，100周增至106.9 mAh g⁻¹，而EA基电解液快速衰减至55.9 mAh g⁻¹；

CV显示Br-EA基电解液中阴离子嵌入电位更低(4.41 V vs 4.46 V)；EIS显示EA基电解液50周后阻抗剧增并出现铝腐蚀特征；倍率测试显示Br-EA基电解液在12C下仍保持80.3 mAh g⁻¹；长循环测试显示1000周后容量保持率达94.7%，电压中值稳定在4.35 V以上。

图3 | 溴化电解液的高压稳定性及铝集流体抗腐蚀机制表征

漏电流测试显示Br-EA基电解液在5.2 V下漏电流更低且稳定；ICP-MS显示EA基电解液中Al和S元素浓度显著更高，表明铝集流体溶解；Li-Al电池测试显示Br-EA基电解液中铝箔保持光滑完整，而EA基出现严重腐蚀穿孔；

XPS显示Br-EA基电解液形成更多Al-F和Al-N保护成分；Raman显示Br-EA基电解液中石墨ID/IG比值(0.22)接近原始石墨(0.16)，远低于EA基(0.55)；原位XRD显示Br-EA基电解液中石墨(002)峰在充放电过程中可逆分裂和恢复。

图4 | 循环后石墨正极表面CEI层的结构形貌与化学组成分析

TEM显示Br-EA基电解液形成8.68 nm均匀薄层CEI，而EA基为15.57 nm且不连续；AFM显示Br-EA基电解液表面更光滑且杨氏模量更高(2.90 GPa vs 1.37 GPa)；

XPS显示Br-EA基电解液中C-O峰强度降低并出现C-Br峰(286.7 eV)，表明Br-EA参与CEI形成；F 1s显示Br-EA基电解液中C-F峰更强而Li-F峰更弱；

Br 3d检测到C-Br(70.4/71.8 eV)和Li-Br(68.3/69.3 eV)，证实溴化物参与界面层构建，形成机械稳定的富Br界面。

图5 | 双石墨全电池配置及长循环、倍率与安全性能验证

DGB全电池在Br-EA基电解液中循环1000周容量保持85.6%，显著优于EA基电解液；倍率性能显示Br-EA基电解液在5C下保持77.4 mAh g⁻¹，10 mg cm⁻²高载量下仍可循环300周以上；

软包电池在充电状态下经切割和点燃仍不燃，展现优异安全性；软包电池500周循环后保持79.8%容量，10 mg cm⁻²高载量(15.2 mAh)下可稳定循环200周(76.1%)，验证实用可行性。

图6 | 溴化电解液的溶剂化结构表征与分子动力学模拟

拉曼光谱显示Br-EA基电解液具有更高比例的接触离子对(CIPs, 742 cm⁻¹)和聚集体(AGGs, 752 cm⁻¹)；FT-IR显示Br-EA中C=O与Li⁺配位峰蓝移(1707→1715 cm⁻¹)，表明配位作用减弱；

NMR显示Br取代后¹H化学位移向低场移动；MD模拟显示Br-EA基电解液中Li⁺-O(Br-EA)配位数(0.42)显著低于Li⁺-O(EA)(0.78)，FSI⁻配位数增加，形成富阴离子溶剂化鞘层，降低阴离子嵌入能垒。

📝 总结

该研究首次提出了面向双离子电池的溴化阻燃电解液设计策略。通过乙酸乙酯的溴化改性，Br-EA基电解液表现出完全不可燃性(SET=0 s g⁻¹)，优于氟化和氯化对应物。

该电解液通过形成LiF/LiBr富集界面，有效抑制了高压下的电解液分解，增强了电极/电解液兼容性，并防止了铝集流体腐蚀。

开发的6.0 m LiFSI Br-EA:DMC(1:1, v/v)电解液使Li金属-石墨DIB在1000次循环后实现94.7%的容量保持率，双石墨电池达到85.6%。

软包电池在500次循环后保持79.8%容量，并在破坏测试中展现优异安全性。该工作确立了溴化设计作为高压高安全电池电解液的新范式。

Solvation Regulation of Flame-Retardant Bromine-Based Electrolyte Enables Stable Cycling Dual-Ion Battery,Advanced Materials,2026,DOI:10.1002/adma.73110