手性分子在光学、晶体学和化学等领域显示出了许多应用。其中，手性与磁性的关系引起了极大的关注。在电荷极化后，手性分子在分子框架中表现出电子自旋偏好，称为手性诱导自旋选择性（CISS）效应。近年研究表明CISS效应可用来加速液体/固体界面上与自旋相关的电子转移过程，例如可以使析氧反应的活性超出了“火山图”的限制。金属二次电池在液（电解质）/固（金属）界面处发生了连续的金属沉积/剥离过程，而CISS是否可以在这个过程中发挥重要作用还尚未得到研究。
近期，南开大学赵庆领衔的研究团队，发现基于手性醚类溶剂的电解液可以加速金属二次电池的电荷转移过程。团队设计合成了两组手性醚溶剂，包括R（或S）-1,2-二甲氧基丙烷的线性醚（R-DMP或S-DMP）和R（或S）-4-甲基-1,3-二氧基烷的环醚（R-MDOL或S-MDOL），并以外消旋DMP（Race-DMP）和MDOL（Race-MDOL）作为比较。结果表明，手性电解液对顺磁性金属负极（Li和Na）的剥离/沉积过程有明显的促进作用，其初始库仑效率（CE）超过95%，平均CE可达99.2%，远高于消旋电解液。在高负载正极NCM811（18.5 mg cm−2）和薄锂负极（50 μm）条件下，采用手性电解液构建的高压锂金属电池可运行近400次循环，容量保持率为80%。该论文以“Chiral electrolytes for rechargeable metal batteries”为题发表在期刊Journal of Energy Chemistry上。
作者首先对制备溶剂的结构进行了表征，振动圆二色谱（VCD）有效证明手性的存在（图1）。之后作者考虑了不同金属表面（Li, Na, Zn）上的电荷转移行为，发现在顺磁性（Li, Na）金属表面，手性电解液表现出明显降低的界面阻抗，而反磁性金属（Zn）没有类似的增强效果。
图1：手性分子的结构验证（a,b）以及其电解液在不同金属负极表面（c）的界面阻抗。
之后作者对手性和非手性电解液的溶剂化结构进行了理论计算与核磁谱学研究，结果表明两类电解液与锂离子的结合能接近（图2），而与手性电解液相比，消旋电解液的溶剂化结构种类更多，说明从脱溶剂化角度考虑，消旋电解液更为有利，因此推测加速的电荷转移反应并非来源于离子的脱溶剂化过程。
图2：手性锂离子电解液的（a-h）溶剂化结构理论模拟以及（i-k）核磁光谱表征。
接下来，作者以锂金属电池为主要研究体系，分析了手性电解液对金属沉积/析出过程的影响。结果表明，手性电解液能有效提升库伦效率（CE），基于Aurbach方法测试的CE高达99.5%。同时展现了均匀的锂金属沉积形貌（图3）。XPS表明手性电解液生成的SEI更薄，说明电子更容易转移到锂离子上，侧面证明了手性电解液有效提升了电荷转移效率。
图3：手性电解液的锂金属沉积/析出动力学和稳定性研究。Li||Li对称电池：（a）EIS，（b）Tafel曲线， (c) 长循环稳定性。Li||Cu电池：（d-f）库伦效率以及（g-j）沉积形貌。
图4：手性电解液体系的锂金属电池电化学性能。（a-b）Li||LFP，(c) Cu||LFP，(d-e) Li||NCM811，(f) Cu||NCM811；(g-h) 2.3Ah锂金属软包电池。
最后作者将优化的手性电解液进行了锂金属全电池测试，在N/P = 2.6，E/C = 10 mL Ah−1的苛刻条件下，电池循环寿命达到400圈。2.3 Ah锂金属软包电池（>300 Wh/kg）在循环100圈之后，仍有99%的容量保持率（图4）。
图5：手性电解液在不同电解液表面的电子转移过程示意图。
综上所述，作者通过合成两类手性醚溶剂，证明溶剂分子的手性显著提高了锂金属剥离/电镀过程的电荷转移速率和可逆性。这种增强被认为与手性诱导的自旋选择效应引发金属表面的电子自旋极化有关（图5）。在接下来的研究中，需要要进一步探究手性诱导界面电荷快速转移的更直接证据。本文提出的手性电解液加速电荷转移过程，为调控金属电沉积开辟了新的途径。作者感谢布鲁克公司提供的VCD测试，南开大学谢伟伟副研究员为文章共同通讯作者，负责手性电解液的理论计算模拟，文章第一作者为南开大学化学学院吴岚清博士。
Chiral electrolytes for rechargeable metal batteries
Lan-Qing Wu, Yu-Jie Ning, Zhen-Yu Fan, Zhe Li, Kun Li, Jia Li, Shuang-Xin Ren, Dubin Huang, Yang Yang, Weiwei Xie*, Huan Wang, Qing Zhao*
Journal of Energy Chemistry
DOI：10.1016/j.jechem.2024.11.041
赵庆，南开大学化学学院特聘研究员，博士生导师，入选国家“四青”人才，中国化学会第六届青年人才托举工程，《麻省理工科技评论》35岁以下科技创新35人（TR35），被评论“构建了几类安全稳定的高能金属二次电池界面，为下一代电池储能体系的界面和安全问题提供了解决方案”。近年来主要聚焦二次电池电极和电解液的表界面研究，以第一作者（含共一）和通讯作者在Science, Nat. Energy, Nat. Rev. Mater., J. Am. Chem. Soc, Angew. Chem. Int. Ed., JEC，CCS Chemistry等期刊发表文章50余篇，授权专利10余项，连续入选科睿唯安高被引科学家（2022，2023，2024）。
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