金钟教授—CEJ：氮杂环卡宾：高效LiNO3增溶剂、锂离子溶剂化结构调控剂及固态电解质界面增强剂，用于构筑高稳定长循环锂金属电池

第一作者：王耀达

通讯作者：金钟

单位：南京大学

锂金属电池因其高能量密度而被视为极具前景的能源体系，但其发展受到严重的锂枝晶生长和不稳定的固体电解质界面（SEI）形成的制约。本文报道了一种基于协同双添加剂的电解液设计策略，通过将氮杂环卡宾-三氟化硼加合物（NHCABT）与硝酸锂（LiNO₃）同时引入碳酸酯基电解液中，构建了具有独特溶剂化结构的协同体系。本工作所提出的协同双添加剂策略，有望显著提升碳酸酯基电解液与锂金属负极的相容性，为构建高耐久性锂金属电池提供了一条极具前景的解决途径。

近日，来自南京大学的金钟教授团队在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表了标题为“N-heterocyclic carbene as a potent LiNO₃-solubilizer, Li+-solvation regulator and solid-electrolyte interphase enhancer for highly durable Lithium metal batteries”的研究论文。本文报道了一种基于协同双添加剂的电解液设计策略，通过将氮杂环卡宾-三氟化硼加合物（NHCABT）与硝酸锂（LiNO₃）同时引入碳酸酯基电解液中，构建了一种高效的协同双添加剂电解液体系。

通过在碳酸酯基电解液中同时引入NHCABT与LiNO₃，我们设计并制备出一种具有独特溶剂化结构的协同双添加剂电解液体系。由于NHCABT中含有缺电子的C1原子和B原子，NHCABT的引入可显著提升LiNO₃在碳酸酯基电解液中的溶解度，使其溶解度从0.08 wt.% (0.0145 M) 增至1.0 wt.% (0.181 M)。硝酸锂的引入不仅使得锂离子的溶剂化结构得以优化，还能诱导富含氮化锂得SEI形成，显著提升了锂金属表面SEI的离子传导性。

理论和实验均证明溶解的LiNO₃可以反向激活NHCABT中的三氟化硼受体（–BF₃），并促进–BF₃与金属锂反应，在SEI中生成LiF及BFx组分。这主要是由于NHCABT中缺电子的C1原子与NO₃^-之间的相互作用使得C1原子上的孤对电子更多的偏向于B原子，从而使得–BF₃被活化，更容易与锂金属反应。这种反向活化作用是以往有关助溶硝酸锂的研究工作所没有的。相比于先前的研究工作，本工作所提出的氮杂环卡宾不仅能作为助溶剂，而且自身能够作为成膜添加剂改善锂金属表面SEI的化学组成，这对于未来该类工作的研究具有较大的启发作用。

引入碳酸酯电解液中的NHCABT与LiNO₃的协同效应显著优化了Li⁺溶剂化鞘层结构，并诱导形成富含LixNy、LixNOy、LiF及BFx等无机组分的均匀稳定的SEI层，有效提升了Li⁺传导性。NHCABT/LiNO₃诱导形成的SEI层具备均匀的化学成分与高的电化学稳定性，可在长循环过程中为锂金属负极提供持久保护。

综上所述，本研究通过在常规碳酸酯基电解液中同步引入NHCABT与LiNO₃，成功开发出一种具有优化Li⁺溶剂化结构的协同双添加剂电解液体系。一系列的表征表明：含缺电子原子的NHCABT可将LiNO₃的溶解度从0.08 wt.% (0.0145 M) 显著提升至1.0 wt.% (0.181 M)。溶解的NO3-阴离子又可反向激活NHCABT中的–BF₃受体位点，赋予其高反应活性以参与SEI形成。得益于NHCABT与LiNO₃的协同效应，Li⁺溶剂化结构获得充分优化；含添加剂电解液（NHCABT/LiNO₃-CBE）与锂金属负极的相容性显著增强；稳定且具有高离子传导性的人工SEI得以构建。基于该体系的Li||Li对称电池实现了超过1000小时的稳定锂沉积/剥离循环；Li||LFP电池在2.0 C倍率下展现出超3000次循环的长寿命；高载量Li||LFP电池（~15.3 mg cm^-2）可稳定循环240次以上且容量衰减率极小，并在-20 ℃下表现出显著提升的低温循环稳定性。当匹配高电压NCM811正极时，组装的Li||NCM811电池在1.0 C倍率下仍能稳定循环超过1000次。本工作提出的创新性协同双添加剂策略，为开发面向高性能实用化锂金属电池的先进电解液体系提供了重要理论依据。

N-heterocyclic carbene as a potent LiNO₃-solubilizer, Li⁺-solvation regulator and solid-electrolyte interphase enhancer for highly durable Lithium metal batteries

金钟，南京大学化学化工学院教授、博导，现担任南京大学绿色化学与工程研究院执行院长、南京大学新材料与能源技术研发中心主任，先后入选了国家级领军人才、国家优青、国家海外青年人才。主要研究领域是清洁能源材料及绿色化学化工技术，已在Nature Chem.等学术期刊发表SCI论文>310篇，他引>24000次，H因子85，连续4年入选Clarivate全球高被引科学家及Elsevier中国高被引学者。荣获了国家自然科学奖二等奖、教育部自然科学一等奖、中国化工学会科学技术奖二等奖、中国商业联合会全国服务业科技创新奖二等奖、江苏省科学技术奖三等奖、江苏省教育教学与研究成果二等奖、江苏省首届创新争先奖、华为公司“火花奖”、英国皇家化学会“地平线奖”等奖励和荣誉。主持了国家重点研发计划纳米专项、国家自然科学基金、教育部联合基金、江苏省“碳达峰碳中和”科技创新专项、江苏省重点成果转化专项、江苏省杰出青年基金等科研项目。目前担任江苏省化学化工学会理事兼青年工作委员会主任、江苏省能源研究会常务理事、江苏省材料学会理事、江苏省汽车工程学会动力电池专委会委员、多个SCI学术期刊编委会成员等学术任职。金钟课题组网站：https://hysz.nju.edu.cn/zhongjin/main.psp