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锂金属因具有高的能量密度和低的电极电势被认为是二次电池负极的“圣杯”材料。然而，较低的库伦效率和枝晶生长等问题一直制约着锂金属负极的实际应用。要解决这些科学问题，构筑稳定、均匀的固态电解质界面（SEI）是一条有效途径。近日，我院教师王子奇与阿贡实验室合作，以“A Fluoride-Rich Solid-Like Electrolyte Stabilizing Lithium Metal Batteries”为题发表了一篇研究性文章，收录在材料领域期刊Advanced Materials上。我院研究生王华山为该文章第一作者。该研究报道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，其不仅具有较高的室温离子电导率，更能促进均匀、致密且以无机成分为主的锂负极SEI生成。TMO的使用可有效提升锂金属电池的循环稳定性与安全性。

研究点一：TMO的离子导电机制

TMO的孔道内部具有丰富的氟磺酸基团。核磁测试表明，与不含氟磺酸的参照物TM对比，TMO含有更多的快速锂离子，说明其氟磺酸孔道环境有助于锂离子解离，降低配位作用。此外，通过DFT计算发现，氟磺酸能为锂离子传导提供额外跳跃位点，进一步促进离子迁移。基于这两种机制，TMO的室温电导率可达高达1.1 mS cm^-1，离子迁移活化能仅为0.17 eV。

图1. a) TMO电解质的设计以及SEI形成机制示意图。b) TMO电解质的离子电导率和固态核磁测试。

研究点二：TMO中的锂沉积行为

Li-Cu不对称电池沉积测试表明，TMO电解质不仅能够得到均匀、致密的锂沉积层，还能极大地提升锂负极的库伦效率。同时，循环伏安测试结果显示，TMO有助于快速的锂沉积剥离。Li-Cu电池测试结果说明TMO能够同时促进锂金属负极的可逆性和动力学性能提升。

图2. Li-Cu电池的a)库伦效率测试和b) CV测试。c-n)不同锂沉积形貌的SEM表征及示意图。

研究点三：TMO中SEI的形貌、成分及形成机制

DFT计算显示TMO内的氟磺酸具有较窄的电化学窗口，能够参与负极SEI的形成。XPS证明TMO所形成的SEI以无机成分为主，包括Li₂Co₃和LiF。该结论也被冷冻电镜表征所佐证。这种以无机成分为主、均匀致密的SEI是锂负极可逆性及动力学性能提升的根本原因。

图3. a) TMO电解质的能级计算。b) SEI的XPS表征。c, d) 对称电池的界面阻抗演变。e, f) SEI的冷冻电镜表征。

研究点四：使用TMO电解质的锂金属电池性能

以TMO为电解质，组装了类固态锂金属电池并进行测试。在高负载量、低N/P比等条件下，该固态电池均展现出可观的电化学性能。得益于TMO电解质良好的成形性，实验室条件下即可装配高电压串联电芯和高容量软包电芯。在TMO电解质对锂负极SEI调控的作用下，该类固态电池展现出优于液态电池的循环稳定性和倍率性能。

图4. 不同N/P比电池的a) 循环性能及b) 负极库伦效率。c) 高负载量电池的循环性能。d, i) 与液态电池循环性能的比较。e, f) 高负载量电池的截面SEM形貌。g, h) 高电压串联电芯和高容量软包电芯照片。

【文章链接】

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

https://doi.org/10.1002/adma.202313135

文图:王华山

校对:刘雪

责编:李逸凡

初审:王子奇

终审:陈填烽

化材院王子奇课题组Advanced Materials：用于锂金属电池的氟化类固态电解质及其SEI调控机制