张强课题组利用NMR技术破解锂键之谜，助力电池性能提升

张强课题组利用NMR技术破解锂键之谜，助力电池性能提升

清华大学化工系张强课题组近期在锂键化学研究中取得重要进展，他们利用核磁共振波谱（NMR）技术成功识别并量化了电解液中的锂键和锂离子键，揭示了锂键的化学本质。这项研究不仅深化了我们对锂化学的理解，更为开发下一代高性能锂金属电池提供了新的视角和技术支撑。

锂键的概念最早于上世纪五十年代提出，但由于其与氢键的相似性，长期以来并未受到广泛关注。随着锂元素在电池领域的广泛应用，锂键的研究重新焕发生机。

研究表明，锂键广泛存在于锂电池电解液组分与电极材料之间，以及电解液内部的离子与分子之间。锂键的强度会影响锂离子的溶剂化和脱溶剂化过程，从而改变锂离子的体相输运性质和电解液组分的界面反应性质。这些影响突显出锂键在调控电池微观相互作用和宏观性能上的重要作用。

核磁共振波谱（NMR）是化学分析中的重要工具，可以提供关于物质纯度、分子化学环境、化学键和原子立体化学的高度信息。近年来，台式NMR技术因其便携、快速、非破坏性等特点，在化学分析领域得到广泛应用。

张强课题组创新性地将NMR技术应用于锂键研究，通过计算中心锂原子对应的NMR化学位移，成功区分了锂键和锂离子键。研究发现，锂键由局域电子效应主导，而锂离子键由静电作用主导。这一发现揭示了锂键的化学本质，为后续研究奠定了基础。

研究团队以电解液中锂离子与溶剂、阴离子形成的不同配位结构作为模型体系，发现随着总键能增大、平均键长增长、配位数升高，7Li化学位移呈现先向低场移动、后向高场移动的变化趋势。以4配位为临界点，低（小于等于4）和高（大于4）配位数时锂与配位原子成键分别对应锂键和锂离子键。

进一步分析表明，在形成锂键时，锂原子的电子局域函数（ELF）形变显著、电子局域效应强，此时电子的空间分布而非电荷主导了最终的NMR信号。而对于锂离子键，也即高配位数时，锂所带电荷仍然不断变负，同时形变因子减小、电子局域效应弱，因此电荷（电子密度）再次主导化学位移向高场移动。

锂金属电池是当前电池研究的热点领域，但面临锂枝晶和“死锂”等技术瓶颈。张强课题组的研究为解决这些问题提供了新的思路。

通过优化锂键的作用，研究人员有望大幅提升电池的能量密度和循环寿命。例如，在锂硫电池中，通过设计多硫化物转化催化剂，能够促进多硫化物在电极表面的转化反应，提升正极活性物质硫的利用率，从而改善电池性能。

此外，锂键化学的研究还有助于开发更安全、更高效的电解液体系。通过调控锂键的强度和分布，可以优化电解液的稳定性和导电性，进一步提升电池的整体性能。

张强课题组的这项研究不仅在理论上揭示了锂键的本质，更为实际应用提供了有力工具。随着研究的深入，我们有理由相信，锂键化学将在下一代高性能电池的开发中发挥重要作用，推动电动汽车和储能系统的技术进步。

清华大学化工系教授张强、副研究员陈翔为文章的共同通讯作者，化工系2020级直博生姚楠为文章的第一作者。该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划和北京市自然科学基金的资助。清华大学高性能计算中心提供了计算资源的支持。

论文链接：
https://www.cell.com/chem/abstract/S2451-9294(24)00359-0
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201704324
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aau7728
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201915623