中国科学技术大学焦淑红教授、曹瑞国教授，AFM：高电压锂金属电池正极/电解质界面的理解和设计

第一作者：李宛峡，何子旭

通讯作者：焦淑红*，曹瑞国*

单位：中国科学技术大学，合肥国轩高科动力能源有限公司

开发高性能的锂金属电池是实现高能量密度储能设备的主流途径。在锂金属电池中，电化学界面包括正极/电解质界面（CEI）和锂金属负极/电解质界面（SEI）的稳定性在较大程度上决定了锂金属电池的性能，包括循环寿命和安全性等。目前，研究人员对SEI进行了广泛而全面的研究，但对CEI的关注较少，特别是在高电压下过渡金属氧化物正极/电解质界面。

近日，来自中国科学技术大学的焦淑红教授和曹瑞国教授在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Understanding and Design of Cathode–Electrolyte Interphase in High-Voltage Lithium–Metal Batteries”的综述文章。该综述文章从高电压正极界面的挑战、正极界面化学和结构的高级表征技术以及构筑稳定正极界面的策略三个方面总结了高电压锂金属电池正极界面的最新进展。

在高电压锂金属电池中面临的挑战可以从两个方面进行讨论：（1）电解液和正极材料在高电压下的热力学稳定性。理想情况下，正极材料和电解液在高电压下都处于热力学稳定的状态。然而在实际情况中，电解液在正极界面处的副反应无法避免，进而形成CEI层。（2）形成的CEI层对正极界面的钝化能力和动力学稳定性。理想的CEI层能够实现对高电压正极界面的致密钝化，阻止界面处电解液副反应的进一步发生，并实现优异的正极电化学性能。但事实上，高电压导致CEI面临更多的问题和挑战，其中包括正极界面降解、电解液氧化以及正极/CEI和锂金属负极/SEI之间的交叉效应等。

理解CEI的化学组分和结构对于构建更可靠的CEI和提高电池性能具有决定性的作用。然而，由于CEI极小的厚度（通常在几纳米厚）、组成复杂、且界面耦合反应多等问题，CEI的表征面临着巨大挑战。强大的表征工具对于理解CEI和指导设计稳定CEI以提高电池性能是至关重要的。理解正极界面化学组成的表征手段包括飞行时间-二次离子质谱（TOF-SIMS）、X射线光电子能谱（XPS）和X射线吸收谱（XAS）等；理解正极界面结构的表征手段包括透射电子显微镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）等；能够动态理解CEI形成过程的原位表征手段包括原位拉曼光谱（In situ Raman）、原位红外光谱（In situ IR）和微分电化学质谱（DEMS）等。除此之外，还可以通过基于第一性原理的理论计算来理解CEI的形成。

CEI是由电解液和正极的反应副产物组成的，因此，我们从电解液设计和正极表面改性和修饰两个方面介绍了构筑稳定正极界面的方法。其中，电解液设计包括氟代电解液、高浓/局域高浓电解液、高熵电解液、新型溶剂/新型锂盐电解液和添加剂。这些电解液设计策略大多通过改变CEI中的功能化组分来实现其优异的稳定性。这些功能化组分包括氟化物（如氟化锂）、硼化物、硫化物、氮化物和磷化物等。正极表面改性和修饰包括构筑人工CEI和对正极材料进行特定元素掺杂等。

CEI的稳定性和可靠性对于锂金属电池的良好性能起着决定性作用。但是，目前我们对于高电压锂金属电池中CEI的了解和研究十分有限。未来对构建功能性CEI以实现优异的高电压锂金属电池的方向和探索，可以注意几个要点：（1）理解电解液的氧化分解机制和正极表面的降解机制，采取相应的措施来提高CEI的稳定性和电池的循环寿命。（2）不能忽略电池其他组件如负极/SEI对CEI的交叉效应。（3）利用原位表征技术对CEI形成和演化过程进行实时观察，可以加深我们对CEI的认识和理解。（4）通过人工智能(AI)手段来解决问题和加速研究过程。（5）设计低氟/无氟电解液，以提供安全性和可持续性更高的替代方案。（6）多种构筑稳定CEI的策略结合应用。

Understanding and Design of Cathode–Electrolyte Interphase in High-Voltage Lithium–Metal Batteries

焦淑红教授简介：中国科学技术大学教授，博士生导师，英国皇家化学会会士，国家杰出青年基金获得者。目前主要从事高比能二次电池方面的研究，研究方向包括先进电池体系的材料设计、界面调控和机理研究，在Nat. Energy, Nat. Commun., Joule, PNAS, Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed.等期刊发表一系列研究论文。目前担任《Science China Materials》编委、《物理化学学报》编委、《SmartMat》青年编委，以及中国化学会女化学工作者委员会委员。

曹瑞国教授简介：中国科学技术大学教授，博士生导师。主要从事电化学储能材料及器件、高性能催化剂的设计合成、催化机理研究以及工程应用等方面的研究。主要成果发表在 Nat. Energy, Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Joule 等高水平能源及材料期刊上。