注：文末有研究团队简介及本文作者科研思路分析
锂电池的商业化推动了当代工业的发展。当今电动汽车、便携电子设备、大型电网等对于锂电池能量密度的需求已经超过现有锂离子电池的技术水平。基于插嵌原理的锂离子电池经过近20年的飞速发展，其能量密度已接近理论极限。这主要受制于石墨负极有限的理论比容量（372 mAh g-1）。相比之下，锂金属负极的理论比容量为3860 mAh g-1，还原电势低达-3.040 V vs.标准氢电极。采用金属锂作为负极，可大幅提升锂电池的能量密度。然而金属锂负极在电池的充放电过程中不均匀沉积，生成树枝状的枝晶锂，容易刺穿隔膜，导致电池内部短路，存在极大的安全隐患。因此，实现锂离子在充放电过程中的均匀沉积对锂负极应用具有十分重要的意义。
电解液助剂原位调控界面组成抑制锂枝晶生长
清华大学张强课题组提出采用电解液助剂抑制锂枝晶生长的方法。当金属锂与电解液接触时会在表面生成一层固态电解质界面膜（SEI）。在不改变电解液主要组成的前提下，引入电解液助剂氟代碳酸乙烯酯（FEC）可以原位调控SEI的组成实现锂的均匀沉积。理论计算表明：FEC具有更低最低的未占分子轨道，在与金属锂负极接触时能先于电解液溶剂还原分解，在锂负极表面生成LiF。SEI中LiF能实现锂离子均匀沉积和有效利用。采用锂铜半电池时库仑效率可提升至98%，有效减少“死锂”形成，实现锂的均匀致密沉积。FEC应用于高能的镍钴锰三元锂电池中，能有效降低电池极化电压，实现金属锂均匀沉积，延长锂电池的循环寿命。该工作研究结果不仅对于高能三元锂电池有应用层面意义，对于其他锂金属电池的研究，如锂硫电池、锂空电池，也具有借鉴意义。
相关工作发表在2017年3月10日刊载的Advanced Functional Materials。本文由清华大学化学工程系研究生张学强、程新兵、陈翔、闫崇共同完成，通讯作者为清华大学张强。
该论文作者为：Xue-Qiang Zhang, Xin-Bing Cheng, Xiang Chen, Chong Yan and Qiang Zhang
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Fluoroethylene Carbonate Additives to Render Uniform Li Deposits in Lithium Metal Batteries
Adv. Funct. Mater., 2017, 27, 1605989, DOI: 10.1002/adfm.201605989
研究团队简介
张强，清华大学特别研究员，博士生导师。清华大学博士毕业后先后于美国、德国、英国留学。2011年9月起就职于清华大学。
研究领域是能源材料,尤其是金属锂、锂硫电池、电催化及三维石墨烯的科学研究。在能源材料化工领域发表SCI论文100余篇，包括以通讯作者发表的Adv. Mater.、 Angew. Chem. Int. Ed.、JACS、 Nat. Commun.、Chem、Sci. Adv.等。曾获得中组部万人计划青年拔尖人才、英国皇家学会Newton Advanced Fellowship、国家自然科学基金优秀青年基金等。
http://www.x-mol.com/university/faculty/21097
科研思路分析
Q：这项研究的最初目的是什么？或者说想法是怎么产生的？
A：高比能电池是当今社会发展的新技术。我们从事锂硫电池的研究，发现金属锂保护是当今获得高比能器件的关键。如果能够基于已有体系，通过界面调控保护金属锂，从而有望直接与现有成熟锂电池体系做有效嫁接。氟代碳酸乙烯酯（FEC）可以用作碳、硅负极的成膜剂。我们也好奇，如果将该助剂引入金属锂，是否能够产生负极保护的效果。
Q：在研究中过程中遇到的最大挑战在哪里？
A：金属锂体系危险，遇水容易产生危险。安全使用金属锂做研究，是从事金属锂保护的挑战。提升安全意识，规范实验操作是研究金属锂的前提。幸运的是，课题组成员具有扎实的理论功底与较强的动手能力，使我们能够不断在金属锂领域取得新的理解和技术突破。
Q：本项研究成果最有可能的重要应用有哪些？哪些领域的企业或研究机构最有可能从本项成果中获得帮助？
A：金属锂的有效保护可以有望构筑高比能金属锂电池。通过进一步正极、电解质匹配，有效构筑高比能电池。这些为高比能电池制造商和用户提供了新的技术方案和实现途径。