安徽工大姜智鹏/李永涛ACS Energy Letters：具有稳定无LiF界面的无氟锂金属电池

第一作者：姜智鹏

通讯作者：姜智鹏*，李永涛*

单位：安徽工业大学

氟化策略被广泛用于提高锂金属电池（LMBs）的循环稳定性，因为它们可以产生大量LiF，这有利于稳定固体电解质界面（SEI）。然而，含氟化合物的负面影响常常被人们忽视。在电池中引入大量氟不仅会对环境造成潜在危害，还会影响锂离子的传输。特别是在高温环境下，氟会引发严重的副反应，导致电池快速失效。因此，有必要探索基于无氟体系的新型锂金属电池系统。

近日，来自安徽工业大学姜智鹏和李永涛教授在国际知名期刊ACS Energy Letters上发表题为“Fluorine-Free Lithium Metal Batteries with a Stable LiF-Free Solid Electrolyte Interphase”的研究性论文。该论文通过整合优化后的无氟电解液（OFFE，1M LiBOB + 0.5M LiNO₃ in DME）和无氟粘接剂（LA133）成功设计了具有稳定无LiF界面的无氟锂金属电池，其兼具绿色环保、高温稳定性及快充性能。

我们首先使用不同电解液组装了无氟Li-LiFePO₄（LFP，该极片使用水系粘接剂LA133制备）电池，并测试其在高温（60 °C）条件下的电化学性能。我们发现，基于OFFE的无氟Li-LFP在高温条件下具有优异的倍率性能和循环稳定性。具体地，该无氟锂金属电池可以实现100 C的极快充电能力，放电比容量为85.9 mAh g^-1，并且可以在50 C条件下稳定循环超过500次，容量保持率为75%。

我们进一步研究了不同电解液的理化性质，结果表明，该无氟电解液OFFE相较于传统的碳酸酯电解液（CCE，1M LiPF₆ in EC/DEC）具有更低的密度和粘度，以及更高的离子电导率，这些性质保证了OFFE优异的倍率性能。此外，溶剂化结构表明，相较于原始的无氟电解液（FFE，1M LiBOB in DME），LiNO₃的引入能够减少自由溶剂分子的数量，并优先分布于内溶剂化鞘层，从而影响后续的界面化学行为。

库伦效率测试表明，基于OFFE的Li-Cu半电池在60 ℃，3 mA cm^-2/3 mAh cm^-2的测试条件下具有高达98.8%的CE，并可以获得致密的锂沉积形貌。XPS和TOF-SIMS表明，OFFE能够在锂负极表面生成稳定的无LiF界面，该界面主要成分包括LiBxOy，Li₂O和LiNxOy/Li₃N。这种B/O/N复合界面具有优异的稳定性和快速的锂离子传输能力，能实现锂离子的均匀沉积。

我们进一步通过DFT模拟和活化能计算分析了该无LiF界面的作用机理，结果表明，电解液中存在的LiNO₃能够调控负极的双电层结构，在内溶剂化鞘层中大量分布的LiNO₃能够加速锂离子的脱溶剂化过程和锂离子传输速率。因此，得益于OFFE体相的高电导率和界面的快速离子传输性质，该无氟锂金属电池具有优异的倍率性能。最终，我们使用OFFE组装了高载量Li-LFP全电池，其能够在高温条件下以3 C的充电速率稳定循环100次，容量保持率为82%。

总之，我们成功设计了一例优化的无氟电解液，并将其与无氟粘合剂集成，成功构筑了具有稳定无LiF界面的无氟锂金属电池。该无氟锂金属表现出优异的高温稳定性和极快的充放电能力，能够在60 °C条件下以100 C的速率快速充放电。我们的研究结果表明，LiF并不是稳定锂金属电池的唯一选择。这项研究不仅为锂负极界面化学提供了新的见解，而且为开发具有低成本、可持续和快充锂金属电池提供了可靠依据。

Fluorine-Free Lithium Metal Batteries with a Stable LiF-Free Solid Electrolyte Interphase

姜智鹏 安徽工业大学资格教授，硕士生导师。华中科技大学博士，研究方向为新型电解液的开发和锂金属负极保护，主持国家自然科学基金青年项目、安徽省教育厅自然科学基金重点项目、安徽省自然科学基金青年项目，安徽工业大学引进人才项目等。近年来，以第一作者或通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed., Nano Letters, ACS Nano, Adv. Funct. Mater., ACS Energy Letters等国际顶级期刊发表论文20余篇，授权发明专利7项，美国专利1项。

李永涛 安徽工业大学教授、博士生导师，复旦大学博士、博士后，国家公派日本九州大学访问教授，2019年入选省青年皖江学者，2020年获省优秀青年科学基金，2021年获评省高水平导师，2022年获批安徽省高校杰青项目。一直从事新一代氢能和储能技术应用基础研究，致力于固态储氢技术在军民领域示范应用。主持国家自然基金3项、国防科技计划1项、省重大科技专项和重点研发计划等省部级10项；参与国家重点基础研发计划、国际合作重点专项、国防强基计划等。在Acta Mater., Adv. Funct. Mater., Nano Letters, ACS Energy Letters等发表SCI论文100余篇，出版专著《氢气储存和输运》，授权专利15件。