南科大李一举/哈工大李欣/西工大王天帅，最新Nature 颠覆传统认知：重新审视氟苯作为锂金属电池醚基电解质稀释剂

第一作者：潘鸿绩

通讯作者：李欣*，王天帅*，李一举*

单位：1. 南方科技大学，2. 哈尔滨工业大学，3. 西北工业大学

基于低成本、低密度、低粘度及低氟取代的氟苯（FB）稀释剂与1,2-二甲氧基乙烷（DME）溶剂的局部高浓度电解质已成功应用于高性能锂金属电池。然而，其高盐-溶剂摩尔比导致高生产成本和巨大环境负担。在不牺牲电化学性能的前提下降低盐-溶剂摩尔比仍具挑战。

近日，南方科技大学李一举教授团队与西北工业大学王天帅教授、哈尔滨工业大学李欣教授合作，在国际知名期刊Nature Communications上发表题为“Revisiting Fluorobenzene as Diluents in Ether-Based Electrolytes for Lithium Metal Batteries”的研究文章。本论文研究发现，随着盐-溶剂摩尔比（SSR）降低，氟苯（FB）稀释的1,2-二甲氧基乙烷（DME）基电解质与锂金属的相容性从兼容转变为不兼容，并且阐明了该电解质与锂金属发生严重副反应的降解机制。基于反应机制设计了一种氟苯稀释的二甲基缩醛（DEA）基电解质，其在中/锂盐浓度下增强了电解质的稳定性，使其与锂金属表现出良好相容性。该工作促使研究人员重新审视氟苯作为稀释剂在醚基电解质中用于锂金属电池的可行性。

研究深入揭示了FB在DME介质中与锂金属的连锁副反应路径：FB首先与锂反应生成苯基锂，随后在自由DME分子的促进下发生去质子化、LiF消除、苯环加成等步骤，最终生成联苯等副产物，导致电解液分解。为阻断这一过程，作者创新性地引入具有“支链”结构的二甲缩醛（DEA）作为新溶剂。DEA能有效降低与苯基锂的配位能力，抑制其解离与FB的去质子化，从而在分子层面切断副反应链，实现锂金属在DEA/FB混合体系中的长期稳定共存。

DEA溶剂不仅具备低凝固点（-113°C）和低介电常数，利于低温应用，其与Li⁺的较弱结合能也促进了快速的界面脱溶剂过程。光谱与模拟结果一致表明，即使在1 M的低盐浓度下，DEA/FB体系仍能形成丰富的接触离子对和离子聚集体，构建“阴离子优先”的溶剂化结构。这种结构源于DEA的支链空间位阻与FB的调控作用，共同促进了富LiF的稳定SEI生成，为高性能锂金属电池奠定了微观基础。

在1 M LiFSI的DEA/FB (1:1 v/v)电解质中，锂金属负极展现出卓越的综合性能。Li||Li对称电池稳定循环超过1000小时，库仑效率在25°C高达99.43%，即使在-40°C的极低温下仍保持97.74%。长循环测试中，Li||Cu电池历经800次循环后平均库仑效率仍达99.11%，显著优于高浓度DME基电解质及其他对比体系。这表明该LMCE体系在宽温域内均能实现高度可逆的锂沉积/剥离，解决了低盐浓度电解质循环稳定性差的难题。

通过XPS和TOF-SIMS对循环后锂金属表面的SEI进行深度剖析，发现DEA/FB电解质诱导形成了独特的有机-无机梯度结构。该SEI内层富含LiF等无机物，外层有机物含量低，且随深度增加LiF含量持续上升。这种致密且坚固的界面层能有效抑制锂枝晶生长和溶剂持续分解，使锂沉积层更加均匀、紧密（厚度仅10 μm），为实现长寿命锂金属电池提供了关键的界面保障。

将1 M LiFSI的DEA/FB (1:1 v/v)电解质用于锂-硫化聚丙烯腈（SPAN）电池，展现出优异的正极兼容性。电池在500次循环后容量保持率高达83%，平均库仑效率达99.83%。研究发现，DEA对多硫化物的溶解性极低，且与LiPSs的结合能较弱，从根本上抑制了“穿梭效应”。CV和XPS分析证实，该体系下SPAN遵循理想的“固-固”转化机制，并在正极表面形成了富含LiF的稳定CEI层，共同保障了正极的高效、稳定运行。

该电解质体系展现出良好的环境适应性。Li||SPAN电池在-20 ℃循环400次后容量保持率高达103.1%，在-40 ℃循环150次后仍保持100.8%的容量，甚至在-60 ℃的超低温下也能正常工作。在高负载正极（2.5 mAh cm^-2）和贫电解液（3 g Ah^-1）的实用化条件下，软包电池仍能稳定循环，并实现334.53 Wh kg^-1的高重量能量密度。这证明了该LMCE体系具备从实验室走向实际应用的巨大潜力，尤其适用于宽温域、高比能的应用场景。

Revisiting Fluorobenzene as Diluents in Ether-Based Electrolytes for Lithium Metal Batteries

李一举教授简介：南方科技大学机械与能源工程系助理教授，博士生导师。研究方向为高比能锂金属电池/碱金属离子电池、先进电解液和固态电池等。目前以第一作者和通讯作者（含共同）在Joule, Matter, Nat. Commun., Adv. Mater., Angew Chem. Int. Ed., Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater.等期刊上发表论文40余篇。论文引用2.4万余次（Google Scholars），H指数71，多项研究成果被Nature, ScienceDaily, VOA News, Phys.org, ACS News, Advanced Science News等期刊和国际主流科技媒体进行引用和报道。2020-2025年连续五年入选“全球高被引科学家”和全球前2%顶尖科学家，主持国家xx科技委项目、国家自然科学基金面上项目和青年项目、广东省重点项目和面上项目、深圳市面上项目、国家人社部“博新计划”等，担任Chin. J. Struct. Chem., Chin. Chem. Lett.等国际期刊（青年）编委。

李欣教授简介：哈尔滨工业大学化工与化学学院长聘教授，博士生导师。主要从事钙钛矿和有机柔性太阳能电池、钠离子电池、分子印迹技术与表面增强拉曼散射光谱电催化、计算化学及人工智能化学的研究。以通讯作者身份在Nature Communications, Angew. Chem. Int. Ed., ACS Energy Lett., Adv. Energy Mater., Energy Storage Mater. 等学术刊物上发表多篇研究论文。

王天帅副教授简介：西北工业大学化学与化工学院副教授，博士生导师。入选香江学者计划及陕西省高层次青年引进人才计划。围绕国家双碳战略目标，依据数据驱动材料研发策略进行高比能电池材料设计，在相关领域已发表论文80余篇，其中以（含共同）第一作者及通讯作者在Nat. Catal., Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed. 等高影响力国际期刊发表论文50余篇，论文总被引5000余次，授权计算机软件著作权1项，现任eScience、The Innovation和Nano Materials Science等国际期刊青年编委。