哈尔滨工业大学（深圳）张嘉恒教授、慈立杰教授AEM：共晶电解液调节促进LiNO3溶解，助力高效稳定的锂金属电池

第一作者：梁一红，吴万宝

通讯作者：张嘉恒*，慈立杰*，李德平*

单位：哈尔滨工业大学（深圳）

硝酸锂被广泛应用为电解质的添加剂用于调节SEI，但其在锂金属电池中的应用被传统碳酸酯电解液的极低溶解度所限制。目前采用的促进LiNO₃在碳酸酯中溶解的策略如缓释，聚合物介导及引入助溶剂等方法过程复杂、成本较高。因此，急需开发一种安全、稳定、具有高硝酸锂溶解度的电解质以实现更好性能的LMB。

基于此，哈尔滨工业大学（深圳）张嘉恒教授、慈立杰教授团队，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为 “Highly stable lithium metal batteries by regulating the lithium nitrate chemistry with a modified eutectic electrolyte”的观点文章。

论文（共同）第一作者为2019级博士研究生梁一红和吴万宝。该文报道了以LiTFSI和N-甲基乙酰胺（NMAC）组成的共晶电解液（DES）用于溶解LiNO₃作为安全的LMB电解液。该不可燃电解液有助于形成稳定均匀的SEI，有效抑制锂枝晶生成，应用于多种高密度三元正极锂金属电池中展示出了长效稳定的循环性能。

理论计算表明，LiNO₃在DES中的高溶解度源于Li⁺与NMAC之间的作用力更强，当电解液中NMAC含量足够时，NO₃^-将会脱离Li⁺的配位范围，从而促进LiNO₃的溶解，最高溶解度可达4 wt.%。含有LiNO₃的DES电解液可与锂金属负极形成坚固均匀的SEI，助力平整无枝晶的锂沉积形貌。以高能量密度的NCM622，NCM811和NCA作为正极的DES锂金属电池长循环性能显著优于碳酸酯电池。

图1. DES电解液中LiNO₃溶解性及可燃性测试。

图2. DES电解液的化学结构表征。

图3. DES电解液与LiNO₃的溶剂化结构模拟计算。

图4. 不同电解液的LMBs中锂沉积形貌差异。

图5. DES电解液的LMB中SEI和CEI组成成分。

图6. 不同电解液LMBs的循环性能。

传统的锂金属电池使用的碳酸酯电解液对于LiNO₃几乎不可溶，需要借助复杂步骤进行缓释或使用大量助溶剂，成本高且工艺复杂。为解决这一问题，本文以DES为电解液，利用DES之间的相互作用力促进LiNO₃的有效溶解，且DES的不可燃特性和高热稳定性有助于提高电池安全性。

要点二：富含LiNO₃的DES电解液同时稳定SEI和CEI，提升电池性能

LiNO₃的加入使得固态电解质界面富含Li–F, LixN和LiNxOy，有效提高SEI的均匀性和稳固性，抑制锂枝晶生长，获得平整的球形锂沉积形貌。同时对CEI也有一定改善，含有LiNO₃的电解液中具有更薄而坚固的CEI。从而稳定长循环性能，含LiNO₃的DES电解液在NCM622，NCM811和NCA为正极的LMB中表现均大幅优于传统碳酸酯电解液。

Highly stable lithium metal batteries by regulating the lithium nitrate chemistry with a modified eutectic electrolyte

2013年博士毕业于中国农业大学，2012起先后在美国爱达荷大学、日本横浜国立大学和英国剑桥大学从事研究工作，现为哈尔滨工业大学（深圳）材料科学与工程学院教授，博士生导师。

近年来共发表SCI论文190余篇，论文被引次数5500余次，包括Chem, Nature Communications, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Journal of the American Chemical Society, Angewandte Chemie International Edition及Chemical Reviews，h因子43；申请专利50余项，授权10余项。

慈立杰 博士 哈尔滨工业大学（深圳）教授

2000年获得清华大学机械工程系博士学位，先后在中科院物理所、法国中央理工学院（法国教育部政府奖学金）、德国马克斯-普朗克金属所（2004年德国洪堡奖学金）、美国伦斯勒理工学院及莱斯大学担任研究人员。在碳纳米材料、下一代储能技术开发等领域有20多年的研发经历，在Nature Materials、Nature Nanotechnology、Nature Chemistry、Advanced Materials、Nano Letters等学术期刊发表300余篇学术论文，被引用次数大于28000，h因子72。

李德平 博士 哈尔滨工业大学（深圳）助理教授

2019年博士毕业于山东大学，主要从事下一代电化学储能技术开发，包括金属空气电池、固态电池和钠/钾离子电池。已主持国自然青年基金、广东省青年基金、深圳市优秀人才培养项目、博士后科学基金特别资助项目等多项课题。以第一/通讯作者在Science Bulletin、Advanced Energy Materials、Energy & Environmental Science、Energy Storage Materials等期刊发表SCI论文20余篇。担任《Rare Metals》、《Advanced Powder Materials》和《Tungsten》等科技期刊青年编委。

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