鋰金屬電池憑借金屬鋰負(fù)極超高的理論比容量(3860 mAh/g)和極低的電化學(xué)還原電位(-3.04 V)，而被認(rèn)為是最有潛力的下一代電池候選者。然而目前基于鋰離子電池的碳酸酯基電解液體系與鋰金屬電池?zé)o法很好地兼容，其根本原因在于目前的商業(yè)電解液無法在金屬鋰表面形成穩(wěn)定的固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）。這種缺陷不僅會造成鋰枝晶的生長，導(dǎo)致電池爆炸，還會嚴(yán)重影響鋰金屬電池的循環(huán)壽命。如何在金屬鋰負(fù)極界面構(gòu)建同時具有高電子絕緣性、高離子電導(dǎo)率和高化學(xué)穩(wěn)定性的理想型SEI成為一項重大的挑戰(zhàn)。

圖1 本工作創(chuàng)新點和作用機理示意圖

為解決以上問題，我校化材學(xué)院居治金特聘教授與華南理工大學(xué)嚴(yán)克友教授、中科院物理所李泓教授、浙江工業(yè)大學(xué)陶新永教授合作，首次提出了以m-Li2ZrF6納米顆粒作為電壓驅(qū)動型電解液添加劑的概念（圖1）。研究表明，在電場的驅(qū)動下，m-Li2ZrF6顆粒向電解液中大量釋放ZrF62-離子，然后通過自發(fā)反應(yīng)在金屬鋰負(fù)極表面原位形成富含t-Li2ZrF6晶體的SEI。DFT計算顯示t-Li2ZrF6晶體具有優(yōu)異的離子電導(dǎo)率，能夠在t-Li2ZrF6晶體內(nèi)部和t-Li2ZrF6/Li2O所構(gòu)成的晶界中，為Li+提供快速遷移的通道。基于t-Li2ZrF6組分獨特的物理化學(xué)性質(zhì)，富含t-Li2ZrF6的SEI具備了高離子電導(dǎo)率、高電子絕緣性和高電化學(xué)穩(wěn)定性等理想型SEI必備的三大特征。此外，富含t-Li2ZrF6的SEI中t-Li2ZrF6晶體表面豐富的親鋰位點還能夠促進(jìn)金屬鋰的均勻沉積，抑制鋰枝晶的產(chǎn)生。更重要的是憑借電壓驅(qū)動解離釋放ZrF62-功能離子特性，m-Li2ZrF6添加劑不僅能夠改善傳統(tǒng)添加劑在循環(huán)中被耗盡的缺陷，還能夠通過ZrF62-離子及時修復(fù)破損的富含t-Li2ZrF6的SEI，為金屬鋰負(fù)極的界面穩(wěn)定提供長期保護(hù)。基于上述優(yōu)勢，m-Li2ZrF6納米添加劑能夠使鋰金屬電池在超高面積載量和超大電流密度下穩(wěn)定循環(huán)3000次，且擁有>80%的容量保持率。這項工作為金屬鋰負(fù)極界面保護(hù)研究提供了新的解決策略和材料，同時也為鋰金屬電池的實際商業(yè)化應(yīng)用提供了可能。

相關(guān)研究成果以“Li2ZrF6-based electrolytes for durable lithium metal batteries”為題發(fā)表在國際頂級期刊《Nature》上。我校化材學(xué)院居治金特聘教授為本文共同第一作者，溫州大學(xué)為第二署名單位，承擔(dān)鋰金屬電池敏感界面的冷凍電鏡精細(xì)解析研究工作。

原文連接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08294-z.