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北京化工大学赵东林教授与军事科学院孟闻捷、邱景义团队：通过功能性电解液协同添加剂调控溶剂化结构实现高压富镍锂金属电池的稳定循环

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2025-12-19

导读：北京化工大学赵东林教授与军事科学院孟闻捷、邱景义团队：通过功能性电解液协同添加剂调控溶剂化结构实现高压富镍锂金属电池的稳定循环

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文章信息

通过功能性电解液协同添加剂调控溶剂化结构实现高压富镍锂金属电池的稳定循环

第一作者：田宽宽

通讯作者：赵东林*，孟闻捷*，邱景义*

单位：北京化工大学，军事科学院防化研究院

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研究背景

基于醚的电解液具有优异的锂金属兼容性和低温性能，被认为是下一代锂金属电池替代传统酯类电解液的潜在选择。然而，醚溶剂的氧化稳定性差（<4.0 V vs Li/Li⁺）在高电压正极材料中阻碍了其进一步应用。在此，提出了一种新型的局部高浓度电解液方法，通过在1,2-二甲氧基乙烷中同时引入氟代乙烯碳酸酯和硝酸锂（LiNO₃）作为协同添加剂，并以1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚作为稀释剂。在这里，稀释剂TTE在稳定自由溶剂分子和调控锂的溶剂化结构方面起关键作用，此外，它通过促进功能性协同添加剂FEC和LiNO₃同时参与溶剂化结构，提高了它们的功效。此外，FEC和LiNO₃通过连续还原和功能互补表现出协同效应。由LiNO₃形成的高导电Li₃N模板与FEC衍生的LiF共同形成了稳健的SEI/CEI结构。该结构将高离子导电性与机械强度相结合，确保形成高质量的SEI/CEI。这些协同效应对于先进的电解质工程至关重要，最终在高能量密度锂金属电池中的循环性能和界面动力学得到了较大的提升。

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文章简介

近日，题目为“Stable Cycling of High-Voltage Ni-Rich Lithium Metal Batteries through Solvation Structure Regulation by Functional Electrolyte Co-Additives”的文章在国际知名期刊Small上发表，该文章北京化工大学赵东林教授与军事科学院孟闻捷、邱景义团队共同完成，第一作者为硕士研究生田宽宽。文章通过在1,2-二甲氧基乙烷中同时引入氟代碳酸乙烯酯和硝酸锂（LiNO₃）作为协同添加剂，并以1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚作为稀释剂构建了一种新型的局部高浓度电解液。最终，锂离子的溶剂化结构被合理调控，电极-电解液界面经过精心设计有效地抑制了锂枝晶的生长并保护正极结构免受损伤。

图1. 使用改性的电解液组装的 Li||NCM811 电池的溶剂化结构及相应的界面化学示意图。

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本文要点

我们通过结合局部高浓度电解质与协同添加剂策略，设计了一种新型基于醚的局部高浓度电解液。在该体系中，稀释剂TTE在稳定自由溶剂分子和调控锂的溶剂化结构方面起关键作用，它通过促进功能性协同添加剂FEC和LiNO₃参与溶剂化结构提升了它们的作用。此外，FEC和LiNO₃通过连续还原和功能互补表现出协同效应，由LiNO₃形成的高导电Li₃N模板与FEC衍生的LiF共同形成了稳健的SEI/CEI结构。该结构将高离子导电性与机械强度相结合，确保形成高质量的SEI/CEI。这些协同效应对于先进的电解液工程至关重要，使高能量密度锂金属电池具备改善的循环性能和界面动力学。组装的Li||NCM811电池在5C、4.4 V下经过1000个循环后容量保持率为71.3%，并且在−30℃至50℃温度范围内的均表现出优异的电化学性能。2Ah Li||NCM811软包电池在1C、4.4 V条件下提供了350 Wh kg⁻¹的高能量密度，并表现出优异的循环稳定性（70个循环后保持初始容量的93.7%）。

Figure 1. a) HOMO-LUMO level of different molecules. b) 7Li NMR spectra. c, d) Raman spectra. e, f) The radial distribution functions of HCE and LHCE-FN. g) Binding energies between components.

Figure 2. a) Tafel plots of Li-Li symmetric cells. b) Li⁺ transfer number of LHCE-FN electrolyte. c) Voltage distributions of Li-Li cells at 0.5 mA cm^-2, 0.5 mAh cm^-2. d) Li-Li cells cycling EIS analysis for different number of cycles. e) LSV curves. f) Electrochemical floatation analysis of Li-NCM811 cells. g) The ionic conductivity of different electrolytes. h) The calculated value of activation energy. i) The average CE of Li-Cu cells.

Figure 3. a, b) Cycling performance of the Li-NCM811 cells at 1 C, 4.3V, 25℃ and the corresponding voltage profiles of LHCE-FN. c) EIS analysis of Li-NCM811 cells assembled by LHCE-FN electrolyte at different cycles. d) Cycling performance of the cells at 1 C, 4.4V, 25℃. e) CV curves for the first three cycles with LHCE-FN electrolyte. f) Rate performance. Cycling performance of cells assembled by LHCE-FN electrolyte g) 5C, 4.4 V, 25℃; h) 0.2C, 4.4 V, -30℃; Cycling performance of the cells at i) 1 C, 4.3V, 50℃; j) 1 C, 4.4V, 50℃. k) Comparison of cycling performance of this work with literatures.

Figure 4. a, b, c) The SEM images of deposited Li after 50 cycles in HCE, LHCE-N and LHCE-FN, respectively. d-g) XPS analysis of LMA after 50 cycles. h) TOF-SIMs of LMA surface after 50 cycles in LHCE-FN.

Figure 5. a, b, c) The SEM images of NCM811 cathode after 50 cycles in HCE, LHCE-N, and LHCE-FN, respectively. d) TOF-SIMs analysis of NCM811 surface after cycling in LHCE-FN. e) Normalized TOF-SIMS depth profiles of NCM811 LHCE-FN. XRD patterns of pristine NCM811 and cycled NCM811 f) full spectrum g) in (003) peak.

Figure 6. a) Cycling performance of Li||NCM811 pouch cell assembled with LHCE-FN Electrolyte at 1 C, 4.4 V, 25℃. b) Corresponding voltage profiles at different cycles. c) Schematic representation of the solvation structure and the corresponding interfacial chemistry of Li||NCM811 cells assembled using LHCE-FN electrolyte.

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文章链接

Stable Cycling of High-Voltage Ni-Rich Lithium Metal Batteries through Solvation Structure Regulation by FunctionalElectrolyteCo-Additives

https://doi.org/10.1002/smll.202512764

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通讯作者简介

赵东林教授简介：赵东林，男，1968年生，汉族，北京化工大学教授，博士导师。主要研究方向为碳纤维及其复合材料、碳纳米管、石墨烯、吸波材料、锂离子电池负极材料、超级电容器电极材料、半固态/固态锂电池等，作为项目负责人先后主持国家“863”项目、国家自然科学基金、教育部博士点基金(博导基金)、北京市自然科学基金、北京市科技新星计划项目、企业委托项目等30余项。2002年入选北京市科技新星计划，2013年入选苏州工业园区科技领军人才，2016年入选姑苏创新创业领军人才，1998年获地质矿产部科技成果二等奖1项，2009年获国防技术发明三等奖1项，2014年获中国石油和化学工业协会科技进步三等奖1项。