厦门大学杨勇教授AFM：电解质策略如何让锂/氟化碳电池在任何气候环境中都能大放异彩？

第一作者：陈勋鑫，刘高攀，符昂

通讯作者：张忠如*，杨勇*

单位：厦门大学

锂/氟化碳（Li/CFx）电池因其卓越的理论能量密度（2180 Wh/kg）而受到广泛关注。然而，CFx材料的低导电性和放电产物LiF的电化学惰性，严重制约了该电池体系的倍率性能和低温性能。在本工作中，研究人员通过一种高效且新颖的电解质策略，利用三氟甲磺酸锡（Sn(OTf)₂）对正负极界面的调控作用解决了这些挑战。同时，结合核磁共振技术和理论计算等方法揭示了这种调控作用的内在机制。本研究提出了一种新颖的电解质改善策略，为发展在极端条件下应用的电解质提供了有效指导。

近日，来自厦门大学杨勇教授团队，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Electrolyte Strategy Enables High-Rate Lithium Carbon Fluoride (Li/CFx) Primary Batteries in All-Climate Environments”的文章。该文章聚焦于电解质策略，利用Sn(OTf)₂对Li/CFx电池正负极界面的调控作用，使CFx电极材料展现出优异的倍率性能（30 oC下，极限放电电流密度为15 A/g），并在-50 oC的低温下具有95.8%的室温放电容量保持率。此外，Sn(OTf)₂中的Sn²⁺促进了负极表面形成Li-Sn合金，有效地保护了锂金属，使Li/CFx电池在60 oC下的存储时间超过1000小时。

通过核磁共振和X射线衍射技术，明确了Sn(OTf)₂能与LiF发生化学作用，并且反应产物为SnF₂。四端子法配高阻仪测试表明反应产物SnF₂的电子电导率比LiF提高了3个数量级以上。

CFx电极材料在含有Sn(OTf)₂的电解质中展现出优异的倍率性能和低温性能。在30 oC和15000 mA/g的电流密度下，放电的能量密度为1145 Wh/kg。在-50 oC的极端低温和100 mA/g的电流密度下，CFx电极材料的放电比容量为783 mAh/g，容量保持率达到95.8%。

X射线衍射谱图和X射线光电子能谱表明在含有Sn(OTf)₂的电解质中，完全放电态下的CFx电极表面产生的LiF含量明显下降，进一步转化为SnF₂。19F固体核磁谱定量分析表明，CFx电极在含有Sn(OTf)₂的电解质中完全放电后仅产生了0.35 mg的LiF，而在不含Sn(OTf)₂的电解质中产生的LiF量为0.57 mg。高导电的SnF2的生成提高了CFx电极表面的导电性，促进了材料的进一步反应。

Sn(OTf)₂中的Sn²⁺促进负极表面形成Li-Sn合金，有效抑制了电解液对锂金属表面的腐蚀，改善了Li/CFx电池的高温存储性能，在60 oC下存储时间超过1000 h。

本工作通过电解质策略，利用Sn(OTf)₂成功调控了Li/CFx电池正负极的界面性质，改善了CFx电极材料的倍率性能，拓宽了电池的使用温度窗口。使用这种先进电解质的CFx材料在15000 mA/g（30 oC）下表现出优异的倍率性能，其能量密度达到1145 Wh/kg。在-50 oC下，CFx材料的放电比容量为783 mAh/g，保持率高达95.83%。此外，由于有效抑制了锂金属的腐蚀，Li/CFx电池在60 oC下能够稳定储存超过1000 h。这种新颖的电解质策略能够有效指导下一代电解质的设计，以适应极端条件的需求，包括更宽的工作温度、更高的倍率和长期储存等。

Electrolyte Strategy Enables High-Rate Lithium Carbon Fluoride (Li/CFx) Primary Batteries in All-Climate Environments