暨南大学，阿贡国家实验室，Advanced Materials：氟化类固态电解质用于锂金属负极SEI调控

第一作者：王华山，Weiyuan Huang

通讯作者：Tongchao Liu*，Khalil Amine*，王子奇*

单位：暨南大学，阿贡国家实验室

锂金属负极具有低的电极电位（-3.04 V vs.标准氢电极）和高的理论容量（3861 mAh g^-1），是一种十分理想的可充电电池负极材料。然而，其工作电压超过了传统电解质的电化学窗口，锂金属负极的使用通常会导致电解液的还原并生成固态电解质界面（SEI）。不稳定的SEI难以阻止锂负极和电解液之间的持续反应，进而导致容量损失和循环寿命缩短；在此基础上也会造成不均匀的锂沉积并带来枝晶生长和短路风险。由此看出，理想的SEI应具有防止锂负极/电解液之间直接接触和调节锂沉积形貌的双重作用。通过电解质设计来获得目标SEI，是实现高性能、高安全锂金属电池的有效手段。

近日，暨南大学王子奇与阿贡国家实验室Tongchao Liu和Khalil Amine等人合作，在材料领域期刊 Advanced Materials上发表题为“A Fluoride-Rich Solid-Like Electrolyte Stabilizing Lithium Metal Batteries”的研究文章，介绍了一种基于氟磺酸酸化的金属-有机框架材料的类固态电解质TMO。该电介质不仅具备较高的室温电导率和离子迁移数，更能促进均匀致密且以无机成分为主的锂负极SEI生成。

TMO在30度下电导率高达1.1 mS cm^-1，活化能为0.17 eV。核磁结果表明，氟磺酸修饰后，该类固态电解质内部的快速锂离子显著增加，说明内部孔道环境有助于锂离子解离，降低配位作用。DFT计算表明，氟磺酸还可为锂离子传导提供额外跳跃位点，进一步促进离子迁移。

Li|Cu半电池测试表明，TMO不仅有助于提升锂负极库伦效率，还能得到均匀致密的锂沉积形貌，抑制了枝晶的形成。从可逆性和动力学性能两方面提升锂金属负极的表现。

研究表明，TMO内氟磺酸优先分解并参与形成均匀致密的SEI。XPS和cryo-TEM表明其主要成分以Li₂Co₃和LiF等无机成分为主。该SEI有助于在锂沉积剥离过程中维持极小的界面阻抗。

以TMO为基础组装了类固态电池，综合考察了高负载量、低N/P比、电芯串联和叠片软包等条件下的电池性能。归功于SEI的有益调控，TMO类固态电池的稳定性和倍率性能优于基于商用隔膜的液态电池。

A Fluoride-Rich Solid-Like Electrolyte Stabilizing Lithium Metal Batteries

本文通讯作者为暨南大学王子奇教授以及美国阿贡国家实验室Tongchao Liu和Khalil Amine研究员。

共同第一作为暨南大学硕士研究生王华山和阿贡国家实验室博士后Weiyuan Huang。